T ib l iTribologia:Aula 1: fundamentos
O que é a tribologia?
Disciplina que lida com três fenómenos interligados:• Desgasteg• Atrito • Lubrificação
O termo surge em 1966 após o Jost Report (UK): 4% do PIB inglês era “desperdiçado” devido ao fraco conhecimento dos fenómenos relacionados com atrito, desgaste
l b ifi ãe lubrificação.
Actualmente 2 a 4% do PIB de um país industrializado ócontinua a ser consumido em problemas tribológicos...
A l õ d J t R t (UK 1965)As conclusões do Jost Report (UK, 1965)
Algumas questões básicas:
• O que é o atrito?
O é d ?• O que é o desgaste?
• Qual a origem da força de atrito?
• O que é o coeficiente de atrito?
• Como é que desgastam os materiais?
• Como podemos reduzir o desgaste?
• O que são lubrificantes?
• Como actuam os lubrificantes?
• Como se pode actuar para minimizar o desgaste num p p g
determinado sistema?
O que é o atrito o que é o desgaste eO que é o atrito, o que é o desgaste e
como se relacionam?
AtritoDissipação de energia devido ao movimento relativo de duas superfíciesDissipação de energia devido ao movimento relativo de duas superfícies
em contacto
DesgasteDesgasteRemoção de massa devido ao movimento relativo de duas superfícies
em contacto.
Se não houver atrito não há desgaste ,mas o recíproco não é
verdadeiro...verdadeiro...
e...
Tudo se passa nas superfícies...p p
Tudo se passa nas superfícies...
Como é constituída uma superfície de engenharia?
Como é constituída uma superfície de engenharia?
Topografia/rugosidade
Parâmetros deParâmetros de Rugosidade, ex:
Mas existem outros...
At ãAtenção: a topografia superficial tem um comportamento fractal
Qual a escala que nos interessa ????
Como contactam as superfícies?
Área nominal e área real de contactoÁrea nominal e área real de contacto
Em geral: A << AEm geral: Ar << An
Leis de atrito: as leis de Amontons e Coulomb
Leis de atrito: as leis de Amontons e Coulomb:
A força de atrito é proporcional à força normal aplicada (definição do coeficiente de atrito);(definição do coeficiente de atrito);
A força de atrito é independente da área nominal de contactoA força de atrito é independente da área nominal de contacto (polémica);
A força de atrito é independente da velocidade (a realidade é bastante diferente em muitos sistemas) – Coulomb
Contactos singulares plásticos
Contactos singulares plásticos: modelo de Tabor
Contactos singulares plásticos: modelo de Tabor
Coeficiente de atrito
F τA τμ =Fat
FN
=τAr
HAr
=τH
μ é independente da força e da área real de contacto (2ª Lei de A t )Amontons).
óOu seja só depende do par em contacto, mas só se Ar for directamente proporcional a FN.p p
Será que é sempre???Será que é sempre???
O modelo Greenwood e Williamson e a teoria contacto
Mas será que todas as superfícies estão sempre totalmente plastificadas quando em contacto ?
Contactos singulares elásticos: modelo de Hertz;Contactos singulares elásticos: modelo de Hertz;
Contactos múltiplos: modelo de Greenwood e Williamson
Contactos singulares elásticos
Modelo de Hertz: contacto esfera-plano (não verifica a constância do coeficiente de atrito)coeficiente de atrito)
O modelo Greenwood e Williamsoncontactos múltiplos
No modelo de Greenwood e Williamson (GW) independentemente do contacto ser elástico plástico oudo contacto ser elástico, plástico ou misto a área real de contacto varia sempre linearmente com a força normalnormal.
Permite encaixar asobservações deAmontons !!Amontons !!
M i t áfi d d tMecanismos topográficos de desgaste
O índice de plasticidade:
Com E* o módulo de Young reduzido,H a dureza Rp=1.25Ra e ρ o raio de curvatura das asperezas.
Ψ<0.6 o contacto é elásticoΨ>0.6 o contacto é plástico: a probabilidade de ocorrerΨ>0.6 o contacto é plástico: a probabilidade de ocorrer desgaste é maior.
=> Superfícies polidas têm tendência para desgastar menos...
Em geral os contactos sãoEm geral os contactos são predominantemente elásticos ou predominantemente plásticos??
Tipos de desgasteTipos de desgaste(mecanismos)
Adesivo ++Adesivo ErosivoFrettingFretting
Abrasivo ++
éO que é o desgaste “adesivo”?
•Dureza dos corpos em contacto é semelhante.
•Adesão e formação de junções entre as asperezas em contacto.
•Deformação das junções e rotura por zonas diferentes da interface originalinterface original.
Mecanismos associados ao desgaste adesivoMecanismos associados ao desgaste adesivo
•Delaminação
•OxidaçãoOxidação
•Fadiga
•Gripagemp g
Modelo de Archard
Taxa de desgaste - Q: volume removido por unidade de comprimento de deslizamento.
Se considerarmos que a taxa de desgaste é proporcional à área real q g p pde contacto (hipótese razoável) então:
Q = KadFN
Had H
Delaminação
I II III
IV V VI
Delaminação
Liga Al-Mo tratada por laser: os g pintermetálicos deformam-se junto à superfície no sentido do movimento
Formação de agregados (amálgamas) de partículas na zona de contacto
Transferência de material de uma superfície para outra
Ex. 1: PE alta densidade vs. Aço316L Ex. 2: Aço vs. WC
Ex. 3: Stellite 1 (CoCrC) vs. aço Mapas de composição
Oxidação e fadiga
Ex. 3: Formação de filmes de Óxido (aço/aço) Ex. 3: oxidação, fractura frágil do óxido e fadiga (aço/aço)
Deslizamento em polímeros (alinhamento das cadeias, fluência das junções)
Ex. 3: PE alta densidade vs. aço
Mapas de desgaste (Lim e Ashby, 1987)
Mapas de desgaste (Lim e Ashby, 1987)
•Ensaios tipo pino-sobre-disco
•Definição de forças e velocidades normalizadasç ç
F =FN
AnHv =
v.ro
αn
Mapas de desgaste
Mapas de desgaste
Exemplo: mapa de desgaste de um par tribológico aço/açop p g p g ç ç
Erosão
Impacto de partículas sobre a superfície
Fretting
Contacto com amplitudes de movimento baixas (1 100 μm) emovimento baixas (1-100 μm) e frequências que podem ser elevadas
•stick-slip, fadiga das superfícies
•Ocorrência:•Ocorrência:
juntas rebitadas, parafusos roscados
O que é o desgaste abrasivo?
Os corpos em contacto tem durezas diferentes (diferença de durezas é superior a 20%)
Assim sendo, o mais duro indentará o mais macio
O movimento relativo das superfícies em contacto originará a formação de apara e,contacto originará a formação de apara e, consequentemente, o desgaste (perda de massa) do material mais macio.
Em geral formam-se aparas. Se a abrasão for simples ( a dois corpos) a superfície desgastada apresenta sulcos paralelos.
Primeiro modelo de desgaste abrasivo(Rabinowicz, 1964)
Taxa de desgaste - Q: volume removido por unidade de comprimento de deslizamento
Q =
dVdx
= r .h = h2.tgθ
2 1
2 FN
FN = H π .r 2
2=
12
H .π .h2.tg2θ
Q =
2π .tgθ
FN
H
F Q = Kab
FN
H
R Q−1 Hê R = Q 1 ∝ HResistência ao desgaste
Modelo de Rabinowicz(validação experimental)
O modelo só “funciona” para metais puros?
Quais as razões dos afastamentos ao modelo de Rabinowicz ?
Nem todo o material do sulco é removido
Q i õ d f t tQuais as razões dos afastamentos ao modelo de Rabinowicz ?
(K Hokirigawa and K Kato 1985)
Ou seja: a eficiência de corte pode não ser total
(K.Hokirigawa and K.Kato, 1985)
corte puro lavragem pura
Factor de eficiência ao corte
co e pu o v ge pu
Av
A2A1
fab =Av − A1 + A2( )
Av
T ib l iTribologia:Aula 1: fundamentos
O que é a tribologia?
Mecanismos de desgaste abrasivo(Zum-Gahr 1986)
Influência da microestrutura na resposta do material
Aço AISI 420: Fe-0.5%C-13%Cr
M t ít b tMartensíte e carbonetos
Austenite residualAustenite residual
Força normal (N)
Variação da dureza após desgaste(Zum-Gahr, Wear 1988)
Dureza das partículas de debris
abrasão a 2 corpos/ abrasão a 3 corpos
Abrasão a 2 corpos Abrasão a 3 corpos
abrasão a 2 corpos/ abrasão a 3 corpos
2 corpos 3 corposTransiçãop 3 corposç
Microestrutura monofásica Microestrutura bifásica
Identificação dos mecanismos de desgasteIdentificação dos mecanismos de desgaste
(Ex. Material bifásico, matriz tenaz + particulas duras)
Riscagem da matriz e do reforço
cratera
remoção sem fractura das partículas de reforço f t d tí l d f
(normalmente por rotura na interface entre a partícula e a matriz)
fractura das partículas de reforço
Efeitos de escala na medição de dureza
NanodurezaFN = 70 μN
MicrodurezaFN = 1 N
Ni 2424 MPa 1198 MPa
Co 3777 MPa 2276 MPa
Ni+30%Co 2527 MPa 1376 MPa
A dureza tende a aumentar quando as cargas aplicadas são menores
Porquê?
-Indentation size effect
-Efeito da energia de superfície
-Filmes de óxidos superficiaisFilmes de óxidos superficiais
Exemplo 3: Efeitos de escala na medição de dureza
1) Strain hardening
Nix and Gao model (W. D. Nix, H. Gao, J. Mech Phys. Solids, 46(3), 411-425, 1998)
H = Ho 1+h*
h⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
1/ 2
h* =3tg2θ2bρs
h*Co=52nm
NanodurezasAFM
À medida que a escala da deformaçãodiminui poderão não existir
h*Ni=62nm
h Co 52nm
MicrodurezasVickers
diminui poderão não existirdeslocações em quantidade suficienteno volume deformado para acomodar adeformação…
NiDaí resultará uma maior resistência àdeformação e um aumento da dureza.
Exemplo 3: Efeitos de escala na medição de dureza
2) Surface Free Energy (SFE)
Samples:
Jäger’s model (I. L. Jäger: Surf. Sci. Vol. 565 (2004), p. 173) extended to the DNISP nanoindentation tip:
ΦΦ –– Effect of SFEEffect of SFE on the measured hardnesson the measured hardnessHH∞∞ –– Bulk hardnessBulk hardnessFFss –– Surface free energySurface free energyhh –– Indentation depthIndentation depth
- Samples:Ni; Co; Ni-30% Co
- Property data:H∞ (Ni) = 1198 MPaH∞ (Ni-30%Co) = 1376 MPa
Φ =Hsfe
H∞
≈2.569 ⋅ Fs
H∞
⋅1h h h Indentation depthIndentation depthH∞ (Co) = 2276 MPa
Fs ≈ 2,2 J/m2
1000
Ni Ni-30%Co Co ? = 10%
10
100
? (%
)
1
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100h (nm)
Exemplo 3: Efeitos de escala na medição de dureza
2) N ti id l 100
Oxigen Nickel
2) Native oxide layer
- Samples: Ni; Co30405060708090
100
% a
t.
- Auger depth profile chemical analysis:Ar+ beamDiameter = 700 μmV = 3 keV
01020
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Depth (nm)
J = 0,4 – 0,5 μA.cm -2
θinc = 30ºP = 5 x 10-8 mbarSputter rate (FeO) = 0,33 nm/s
Lubrificação
A curva de Stribeck: μ vs. Parâmetro de Sommerfeld
NFVS η
=
μ
NF
Os regimes de lubrificação:g ç•Boundary (camada limite)•Mixed (mista) / •Elasto-hidrodinâmica•Hidrodinâmica
NFVS η
=
A visão integrada do desgaste e lubrificação proposta por Koji Kato
(K. Kato, 2000)
Conclusões
O atrito e o desgaste não são propriedades dos materiais: são propriedades do sistema.
Dependem de:Dependem de:•Par tribológico;•Força; e das... propriedades dos materiaisForça;•Velocidade;•Meio;
p p
•Topografia da superfície
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