Desempenho de superfícies Desgaste/Corrosão

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1 Seleção de Materiais Desempenho de superfícies Desgaste/Corrosão

2 Seleção de Materiais Danos na superfície trincamento Sem perda de material alterações microestruturais deformação plástica com mudança de forma sem perda de material Com ganho de massa nho de material Com perda de material com perda de material produtos de reações com o ambiente impregnação com outros materiais 4 rasgamento fratura frágil fadiga dissolução

3 Seleção de Materiais Superfície deve ser protegida de danos causados pela interação com o meio DESGASTE Dano sofrido por uma superfície sólida, envolvendo atrito, com a remoção ou a impregnação de material, devido ao CONTATO COM MOVIMENTO RELATIVO, com outra superfície, ou com substâncias, que podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. CORROSÃO Fenômeno superficial que envolve a reação entre um MATERIAL e o MEIO ao qual foi exposto, sem ou com SOLICITAÇÕES mecânicas, durante tempo suficiente para que haja a DEGRADAÇÃO do material.

4 Seleção de Materiais Relação genérica" entre desgaste e dureza Ø Mas o que é desgaste? Ø Como se relaciona com outras propriedades?

5 Seleção de Materiais

6 Seleção de Materiais A dificuldade em quantificar as solicitações na superfície ( desgaste ou corrosão) dificulta a elaboração de mapas de propriedades. Correlações especificas são encontradas envolvendo um grupo especifico de materiais, frequentemente associadas a divulgação de um produto. Ex: Materiais para ferramentas desgaste vs tenacidade Conhecimento das diferentes técnicas de processamento de superfícies contribui para a eficácia do processo de seleção

7 Seleção de Materiais ~intribos/resources.html

8 Desgaste

9 Seleção de Materiais Desgaste Dano sofrido por uma superfície sólida, envolvendo atrito, com a remoção ou a impregnação de material, devido AO CONTATO COM MOVIMENTO RELATIVO, com outra superfície, ou com substâncias, que podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. 9

10 Seleção de Materiais Atrito - Resistência ao movimento de um corpo sobre o outro Ø Designa-se por atrito a força tangencial a interface comum entre dois corpos quando, sobre a ação de uma força externa, um dos corpos se move ou tende a se mover relativamente a superfície do outro Ø Ø Ø Coeficiente de atrito é a relação adimensional entre a força de atrito entre dois corpos e a força normal que comprime estes corpos. µ = (Força Tangencial)/(Força Normal) Atrito se refere a energia dissipada na interface entre corpos em movimento ou com tendência a movimento. Atrito nomeia o movimento relativo entre superfície O coeficiente de atrito (força, energia) não é uma propriedade do material e sim uma resposta do sistema

11 Seleção de Materiais Previsão de vida ao desgaste 11

12 Seleção de Materiais Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo: Deslizamento Impacto Rolamento 12

13 Seleção de Materiais Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo: Temperatura Impacto Meio agressivo Deslizamento Impacto Rolamento

14 Seleção de Materiais Tipos de contato abrasivo Abrasão: a perda de massa resultante da interação entre partículas ou asperezas duras que são forçadas contra uma superfície, o longo da qual se movem (ASTM G40-01) Abrasão com baixa tensão Abrasão com alta tensão

15 Seleção de Materiais Mecanismos de desgaste abrasivo

16 Seleção de Materiais DESGASTE ABRASIVO: Efeito da orientação, dimensão, E, dureza, fragilidade das particulas de segunda fase Fragilidade Orientação Dimensão Rigidez, E Dureza 2º fase Aumento das perdas com desgaste

17 Seleção de Materiais Abrasão Variáveis que afetam a abrasão, além das variáveis mecânicas a) Dureza do abrasivo - A dureza é mais importante na transição entre desgaste moderado e severo b) Tamanho de grão do abrasivo - O aumento do tamanho de grão é mais importante para grãos pequenos c) angularidade do abrasivo - Particulas mais angulosas intensificam a abrasão uma vez que cada vez mais o microcorte se intensifica em relação ao microssulcamento

18 Seleção de Materiais Outros mecanismos de desgaste Fretting (wear): Fenômeno de desgaste que ocorre entre duas superfícies que tem movimento oscilatório pequena amplitide ASM Metals Handbook Desgaste por deslizamento: As expressões desgaste por deslizamento ou desgaste adesivo se referem ao tipo de desgaste gerado pelo escorregamento de uma superfícies sólida ao longo de outra superfície ASM Metals Handbook Fadiga de contato ou desgaste por rolamento: Desgaste de uma superfície sólida decorrente do contato por rolamento entre a superfície e outra superfície ou superfícies sólidas ASM Metals Handbook

19 Seleção de Materiais Quando se conhece exatamente o tipo de solicitação em desgaste ao qual o material será submetido é possivel usufruir de informação já sistematizada: desgaste metal x metal exige materiais uniformes e duros (martensíticos, ligas de níquel) desgaste abrasivo requer materiais reforçados com partículas duras (carbetos de Cr, de W, etc.) desgaste erosivo requer materiais com elevada taxa de encruamento ou baixa energia de falha de empilhamento (inoxidável austenítico) 19 desgaste com corrosão requer materiais resistentes à corrosão (ligas de Ni e Co)

20 Seleção de Materiais Estabilidade a alta temperatura (liga NiCrMo) Como depositada 650ºC 1000ºC 130A Tx. Desgaste x Carga Aplicada 150A 7,00E-13 6,00E C 1000 C 650 C As deposited 1000C 170A Tx. Desgaste (m 3 /s) 5,00E-13 4,00E-13 3,00E-13 2,00E C 650C Como depositada 1,00E-13 0,00E+00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Carga Aplicada (kgf) Karin Graf, Dissertação Mestrado 2004, UFPR

21 Seleção de Materiais Desgaste em alta temperatura efeito sinérgico de desgaste e oxidação Relevância do rigor da caracterização Stellite 1 Desgaste a temperatura ambiente após exposição a temperatura Stellite 6! Stellite 1 Desgaste a elevada temperatura Stellite 6 Rafael J.N. Gomes, Dissertação Mestrado 2012, UFPR

22 Seleção de Materiais 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 Modos de erosão Sem particulas com particulas Em cotovelos impingment (jato) cavitação

23 Seleção de Materiais Erosão : variáveis envolvidas A velocidade da partícula e o ângulo de incidência EROSÃO POR CAVITAÇÃO: principais estágios

24 Seleção de Materiais Desempenho de superfícies corrosão (material cedido pelo Dr Leandro Conceição, SENAI/PR)

25 Introdução à Corrosão v Definição q Corrosão é um processo irreversível envolvendo reações de Oxidação e Redução simultâneas na interface do material/ambiente corrosivo: Ø Reação espontânea: resultante da ação química ou eletroquímica Ø Reação não espontânea: resultante da ação eletrolítica de um meio sobre um material.

26 Introdução à Corrosão v Definição q Tipo de deterioração dos metais, não se aplicando a materiais não metálicos. q A degradação sofrida pelo material ou modificações de suas propriedades através de reação com o meio ambiente. Reação: química e eletroquímica

27 Introdução à Corrosão v Como ocorre a corrosão? q A reação de oxi-redução, é separada por semirreações: uma semirreação de oxidação que acontece na região do metal (anódica) e uma semirreação de redução na região do ambiente corrosivo( catódica); q A corrosão sempre se manifesta na região anódica, onde os cátions liberados pelo metal poderão reagir com o meio e formar produtos de corrosão solúveis e insolúveis. q a região catódica permanece intacta, ocorrendo reações de redução das espécies do meio corrosivo: geralmente água, prótons e oxigênio;

28 Introdução à Corrosão q As perdas econômicas causadas pela corrosão têm sido estimadas e em países desenvolvidos ou não o custo é aproximadamente 4,5% do PIB o que representa no caso dos EUA o valor de US$ 300bi. Ø Perdas Diretas :São perdas em que os seus custos de substituição de peças e de manutenção estão incluídos no projeto (como mão de obra, energia, custo de manutenção do processo). Ø Perdas Indiretas: São perdas em que os seus custos não estão incluídos no projeto. v Exemplos: como paralisação acidental, perda de produto, contratação de terceiros e etc.

29 Introdução à Corrosão v Impactos causados pela Corrosão nas propriedades dos materiais. q Resistência Mecânica: Propriedade que depende fortemente da integridade da estrutura e do material. q Elasticidade: Propriedade intrínseca do material e depende de 2 parâmetros. *rigidez das ligações atômicas e *densidade das ligações. q Ductilidade: É a quantidade de deformação que um material pode sofrer através de tensões até a sua ruptura.

30 Seleção de Materiais Solicitação na superfície: formas de corrosão

31 Introdução à Corrosão v Formas de corrosão: A forma auxilia na determinação do mecanismo de corrosão. q Uniforme a corrosão ocorre em toda a extensão da supefície. Uniforme

32 Introdução à Corrosão q Por placas formam-se placas com escavações q Alveolar produz sulcos de escavações semelhantes fundo arredondado e são rasos) Placas Alveolar à alvéolos (tem

33 Introdução à Corrosão q Puntiforme ocorre a formação de pontos profundos (pites) Puntiforme (pite)

34 Introdução à Corrosão q Intergranular ocorre entre grãos q Transgranular a corrosão ocorre nos grãos

35 Introdução à Corrosão q Filiforme filamentos. a corrosão ocorre na forma de finos Filiforme

36 Introdução à Corrosão q Por esfoliação a corrosão ocorre em diferentes camadas. Por esfoliação

37 Introdução à Corrosão v Meios Corrosivos q Podem apresentar características ácidas, básicas ou neutra e podem ser aeradas. q Atmosfera poeira, poluição, umidade, gases: CO, CO 2, SO 2, H 2 S, NO 2,...)

38 Introdução à Corrosão v Meios Corrosivos q Solo (acidez, porosidade) q Água (bactérias dispersas: corrosão microbiológica; chuva ácida, etc.) Corrosão localizada causada pelo solo Corrosão localizada e generalizada em duto de petróleo enterrado

39 Introdução à Corrosão v Problemas gerados pela corrosão q Perda de material q Alterações na composição química q Alterações na microestrutura v Soluções buscadas pelo Engenheiro: q Seleção de materiais; q Condições de aplicação do material (ambiente, temperatura, etc..); q Propor um tratamento de superfície que proteja contra a corrosão;

40 Introdução à Corrosão v Mecanismos da Corrosão Metal x Meio x Condições Operacionais Corrosão química Corrosão eletroquímica Todos os materiais Metal ou Liga Em alta temperatura, gases em ausência de umidade; Em solventes orgânicos isentos de água. água ou soluções aquosas, no Solo, em sais fundidos.

41 Corrosão Química v Mecanismos da Corrosão q Corrosão seca (não aquosa) : Corrosão química é um processo que se realiza na ausência de água diretamente no metal, (em temperaturas elevadas), devido a interação direta entre o metal e o meio corrosivo, sem transferência de elétrons de uma área para outra; q Metal: o processo consiste numa reação química entre o meio corrosivo e o material metálico, resultando na formação de um produto de corrosão sobre a superfície.

42 Corrosão Química q Um exemplo do processo de corrosão química:placa de ferro, reagindo com sulfeto de hidrogênio(g) e na ausência de umidade; Metal Ø Inicialmente, ocorre a adsorção do gás (H 2 S) na superfíce do ferro e, em seguida, a reação formando uma película de sulfeto ferroso (FeS);

43 Corrosão Química v CRESCIMENTO DA PELÍCULA DE OXIDAÇÃO q A fixação do oxigênio à superfície de um metal exposto a uma atmosfera de oxigênio molecular resulta da competição de 3 processos: Difusão catiônica Difusão Difusão aniônica Ø Absorção de um filme de oxigênio atômico sobre a superfície metálica; Ø Absorção de oxigênio molecular sobre a face externa do filme anterior; Ø Película de óxido proveniente da reação de oxidação (mais acentuado em temperaturas elevadas). o Zonas de crescimento das pelúculas o Difusão simultânea o Difusão através do metal o Difusão através da película

44 Corrosão Química v Características da difusão no estado sólido q A formação de uma película quase impermeável sobre a superfície metálica pode inibir ou impedir a continuação do processo corrosivo, a qual é denominada de PASSIVAÇÃO. Outros metais como cádmio, cobre, prata e zinco também estão sujeitos aos mesmos mecanismos sendo representados pelas reações:

45 Corrosão Química v Cinética de crescimento destas películas q As películas (oxido) de produto de corrosão química podem crescer seguindo três leis de formação:

46 Corrosão Química v Características das películas Protetoras Ø Refratariedade: as películas para serem protetoras não devem fundir a baixas temperaturas; Ø Plasticidade: as películas muito duras fraturam com facilidade, tendendo a ser menos protetoras; Ø Porosidade: está intimamente ligada à impermeabilidade da rede cristalina. Quanto menos porosa mais protetora é a película; q K, Na, Ca, Mg formam películas porosas e, não protetoras, que apresentam crescimento linear; q Fe, Ni, Cu formam películas compactas, porém fraturam e perdem aderência com facilidade apresentando um crescimento parabólico;

47 Corrosão Química v Características das películas Protetoras q Relação entre o volume do óxido e do metal que originou o óxido: V óxido V metal 1 q A película é formada sob compressão podendo ser protetora. V óxido V metal 1 q A película é formada sob tração, é porosa e não protetora.

48 Corrosão Eletroquímica v Definições q Ocorre quando o metal está em contato com uma solução de um eletrólito, ocorrendo reações anódicas e catódicas; q Ocorre na natureza (ferrugem), onde se forma uma pilha de corrosão (presença de água e oxigênio, à temperatura ambiente).

49 Fundamentos de Corrosão v Reações anódicas q A reação mais importante e responsável pelo perda do material é a de passagem do metal da forma reduzida para a iônica (combinada). M M n+ + ne q Quando uma liga corrói, muitas reações anódicas acontecem simultaneamente; q Por exemplo, as reações anódicas para uma liga alumínio-cobre poderiam ser: Al Al e- Cu Cu e-

50 Corrosão Eletroquímica v Reações catódicas q As reações de redução são realizadas com íons do meio corrosivo ou, eventualmente, com íons metálicos da solução. Ø Principais reações na área catódica :

51 Corrosão Eletroquímica v Definições na eletroquímica q Reações catódicas e anódicas: ocorrem simultaneamente e à mesma velocidade sobre a superfície do condutor. Os elétrons gerados na oxidação são consumidos na redução; q Potencial do eletrodo padrão: indica o valor onde tem início a corrosão do elemento; q Existem tabelas construídas com os potenciais medidos nas condições ideais de temperatura e pressão para um mol de íons do elemento em solução. Vicente Gentil: Corrosão 3 edição pág. 19

52 Introdução à Corrosão v Outras formas de corrosão q A corrosão por frestas é uma forma de corrosão localizada usualmente associada às condições de estagnação de eletrólitos em micro-ambientes; q Estes ambientes restritos, o n d e h á i m p e d i m e n t o o u dificuldade à difusão de espécies químicas, podem ocorrer em parafusos, porcas e arruelas, materiais de isolação, depósitos superficiais, películas de tinta descoladas, rebites, etc. Corrosão por Frestas

53 Fundamentos de Corrosão q Revestimentos orgânicos expostos a ambientes agressivos (tais como os encontrados em ambientes industriais e marinhos) podem sofrer variados tipos de degradação, sendo os mais comumente encontrados a delaminação e o empolamento. q As reações que descrevem o processo são: ü ÁREAS ANÓDICAS Fe e- ü ÁREAS CATÓDICAS O H 2 O + 4 e- 4 OH

54 Fundamentos de Corrosão v Formas de minimizar a corrosão v Proteção catódica q Os processos mais empregados para a prevenção da corrosão São a proteção catódica e anódica, os revestimentos e os inibidores de corrosão. Ø A proteção catódica é a técnica que transforma a estrutura metálica que se deseja proteger, em uma pilha artificial, evitando, assim, que a estrutura se deteriore. Ø É empregada em tubulações enterradas ou submersas para o transporte de água, petróleo e gás, etc.. Ø Consiste na injeção de corrente elétrica por meio de duas técnicas: a proteção por anodos galvânicos (espontâneas) e a proteção por corrente impressa (não espontânea);

55 Fundamentos de Corrosão v Formas de minimizar a corrosão v Proteção anódica q Proteção anódica é um método de aumento da resistência à corrosão que consiste na aplicação de uma corrente anódica na estrutura a proteger; q A corrente anódica favorece a passivação do material dando-lhe resistência a corrosão. A proteção anódica é empregada com sucesso somente para os metais e ligas formadores de película protetora (cromo, titânio, ligas etc...); q A proteção anódica não só propicia a formação da película protetora mas principalmente mantém a estabilidade desta película.

56 Fundamentos de Corrosão v Formas de minimizar a corrosão Revestimentos são aplicados sobre a superfície metálica formando uma barreira entre o metal e o meio corrosivo e, consequentemente, minimizando o processo de corrosão; q As tintas, como as epoxídicas e o zarcão, são revestimento muito utilizando na proteção de tubulações industriais. q Galvanização - consiste na superposição de um metal menos nobre sobre o metal que será protegido. É uma técnica muito empregada, ex. parafusos de ferro galvanizados com zinco. q Inibidores de corrosão - São substancias inorgânicas ou orgânicas que, adicionadas ao meio corrosivo, ajudam a prevenir ou impedir o desenvolvimento das reações de corrosão, sejam elas na fase gasoso, aquosa ou oleosa.

57 Seleção de Materiais Efeito sinérgico entre mecanismos de corrosão e de desgaste: um fenômeno amplia os efeitos do outro Abrasão: Remove revestimentos e a camada de óxido protetora e expõem a superfície do metal, podendo ainda remover particulas do metal Forma entalhes microscópicos e identações favorecendo a corrosão eletroquimica Aumenta a área real exposta a corrosão Elimina camadas encruadas/jateadas Promove microtrincas nas materiais frágeis favorecendo o arrancamento de material Elevada deformação plástica encrua a superfície e aumenta a susceptibilidade ao ataque químico

58 Seleção de Materiais Efeito sinérgico entre mecanismos de corrosão e de desgaste: um fenômeno amplia os efeitos do outro Corrosão Provoca pits que induzem micro-trincas As micro-trincas nos pits favorecem o arrancamento do metal no impacto Aumenta a rugosidade da superfície, reduzindo a energia necessária para remover o material por abrasão Pode originar hidrogênio, absorção e trincamento de aços Ataque seletivo dos contornos de grão e de fases menos nobres, fragilizando o material

59 Seleção de Materiais Efeito sinérgico entre mecanismos de corrosão e de desgaste: um fenomeno amplia os efeitos do outro Impacto: A deformação plástica torna alguns constituintes mais susceptíveis a corrosão Trinca constituintes frágeis, rasga constituintes dúcteis formando locais favoráveis para corrosão por frestas e arrancamento de material Fornece energia cinética necessária para intensificar o mecanismo de abrasão Pressuriza a água incentivando mecanismos como cavitação, erosão e oxidação do metal protetor Pressuriza água e gases aumentando temperatura, alteração de fases decomposição ou reação de produtos Aumentando os efeitos do processo corrosivo