Engenharia de Superfícies SUPERFÍCIES EM CONTATO 1
Aplicação de problemas de mecânica de contato começou com Heinrich Hertz na solução de problemas de deformação elástica entre superfícies parabólicas em contato. 2
Superfícies de engenharia NÃO são idealmente lisas RUGOSIDADE Textura de uma superfície descrita pelo arranjo, forma e tamanho de elementos individuais tais como asperzas ou asperidades (picos e vales em escala microscópica). Perfil seções verticais. Área de contato seções transversais. 3
Perfil seções verticiais. Área de contato seções transversais. Representação esquemática de irregularidades da superfície (ZUM GAHR, 1987). 4
Contato entre dois sólidos DISCRETO Rugosidade ocorre em ÁREAS de pontos de contato de duas superfícies sólidas lisas pressionadas uma contra a outra. 5
Quando duas superfícies planas e paralelas são colocadas suavemente em contato, este contato irá, inicialmente, ocorrer em somente poucos pontos (asperidades ou asperezas). Área aparente e real de contato (ZUM GAHR, 1987). 6
Área de contato entre dois sólidos A e B: a área de contato aparente (Aa = XY) e a área real (Ar = Ar(i)). 7
A relação área real/área aparente pode chegar a 10-4 - (1/10.000) 0,0001 0,01% e depende de: Distribuição das irregularidades da superfície, Força de contato, Tensão de escoamento do material mais macio. Área real de contato é maior quando em deslizamento do que no estado estático. 8
Com aumento da carga normal superfícies se aproximam e um maior número de asperidades das duas superfícies entram em contato. Asperidades carga suporte de origem das forças de atrito 9
Com aumento da carga normal superfícies se aproximam e um maior número de asperidades das duas superfícies entram em contato. Quando as superfícies estão estáticas: Ar = área real de contato Ai = área de pontos de contato individuais 10
Para o contato estático de materiais idealmente elástico-plástico FN Ar py FN = força normal; py = tensão de escoamento do material mais macio Usando a relação entre dureza e limite de escoamento H C. y Para contato estático: C = 3, para aços ferríticos; y = pressão de escoamento do material mais macio Ar p A y p = pressão aplicada 11
Para contato estático: Ar p A y p = pressão aplicada A relação Ar/A é proporcional a pressão aplicada dividida pela tensão de escoamento do material mais macio de contato. 12
MECÂNICA DO CONTATO Atrito e desgaste de duas superfícies sólidas dependem do tipo de deformação (Elástica / Plástica) das irregularidades das superfície envolvidas. Índice de Plasticidade,, (descreve a transição de deformação elástica para plástica das asperidades). 13
MECÂNICA DO CONTATO ' E H S R E1 E2 E 2 2 E2 1 1 E1 1 2 ' - Índice de Plasticidade; H - Dureza do material mais macio; E módulo de elasticidade equivalente; E1 e E2 módulo de elasticidade; 1 e 2 coeficiente de poison; R raio do topo das asperidades (igual para todas asperidades); S desvio padrão de uma distribuição gaussiana das alturas das asperidades. 14
MECÂNICA DO CONTATO < 0,6 = contato predominantemente elástico; > 1 = contato predominantemente plástico. 15
MECÂNICA DO CONTATO As equações indicam que a deformação das asperidades em contato são determinadas principalmente pelas características da textura da superfície, dureza e constante elástica. A carga não influencia diretamente na transição de deformação elástica para plástica. O tipo de contato pode mudar durante o serviço em um tribosistema. Começando com contato plástico, pode ocorrer uma mudança para contato elástico após o período de running-in. 16
CONTATO ENTRE SUPERFÍCIES. Quando duas superfícies nominalmente planas e paralelas são aproximadas, o contato somente ocorrerá inicialmente em poucos pontos. Com o aumento da carga normal, as superfícies se aproximam e um grande número de áreas altas ou asperidades das duas superfícies entram em contato. Asperidades únicos pontos de contato suporte de carga forças de atrito. condução de eletricidade. 17
Deformação de uma asperidade Caso idealizado de uma única asperidade pressionada contra uma superfície plana rígida. Inclinação das asperidades raramente são maiores que 10. Modelo: protuberâncias perfeitamente lisas de forma esférica, cônica ou piramidal. 18
Deformação elástica Quando uma esfera de um material elástico é pressionado contra um plano, sob carga w, contato irá ocorrer em uma área circular de raio a, dado pela equação de Hertz: a 3.w.r 4.E 1 3 a raio da área de contato W carga r raio da esfera E módulo de elasticidade Deformação elástica de uma esfera de raio r, pressionada contra uma superfície plana sob carga w. O raio do círculo de 19 contato é a
Deformação elástica E depende de E1 e E2 e dos coeficientes de poison 1 e 2, para os materiais da esfera e do plano: 2 2 1 1 1 1 2 E E1 E2 A área de contato entre a esfera e o plano, a2, é dada por: wr 2 a 0,83 E 2 3 20
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Para deformação puramente elástica: A área de contato é proporcional a w2/3; A pressão média (Pm = w/ a2) varia com w1/3; A tensão não é uniforme sobre a área de contato circular, apresenta um máximo no centro e cai a zero nas extremidades. A tensão máx. no centro do círculo de contato é 3/2 a pressão média. Distribuição da tensão normal (pressão de contato) sob uma esfera 22 carregada elasticamente sobre um plano.
Deformação plástica Com aumento da carga deformação plástica tem início Duas situações: Esfera rígida fluxo plástico no plano; Plano rígido fluxo plástico na esfera. 23
Deformação plástica / Esfera rígida Máxima tensão de cisalhamento abaixo do indentador profundidade de 0,47 a Contours of maximum shear stress normalized by Hertz stress p0, beneath nominal circular point contact of radius a in material with ν = 0.3. 24
Esquema da distribuição de tensão para contato elástico de (a) uma esfera e um plano devido a uma carga normal, (b) esfera e um plano devido carga normal e tangencial combinadas com Ft=0,3FN, (c) dois cilindros sem lubrificação e (d) dois cilindros com 25 lubrificação.
Deformação plástica / Esfera rígida Deformação plástica se inicia a pressão de contato média de 1,1 Y (Y_ Tensão de escoamento uniaxial do material) Com aumento da carga normal deformação plástica pode atingir a superfície (carga de 50 a 100 vezes a carga de início da deformação plástica) Área de contato ainda é muito pequena (raio menor que 1 % o raio da esfera) A pressão média atinge 3 Y e permanece cte com aumento subsequente da carga 26
Deformação plástica / Esfera rígida Resultados similares indentadores de outras formas. Curvas de distribuição de pressão em contato elástico para três diferentes indentadores 27
Deformação plástica / Plano rígido Para o caso de um plano rígido escoamento ocorre na esfera resultados similares. Quando uma asperidade é pressionada contra um plano, não importa qual componente escoa a pressão média sobre a área de contato será da ordem de três vezes a tensão de escoamento do material mais macio ÁREA DE CONTATO DEVE SER DIRETAMENTE PROPORCIONAL A CARGA. 28
MÚLTIPLAS ASPERIDADES DE CONTATO Contato entre duas superfícies modelo simples informações úteis da dependência da ÁREA DE CONTATO da CARGA NORMAL. Simplificação contato entre uma superfície rugosa e um plano rígido. Superfície rugosa repetição de asperidades esféricas de raio e altura cte. 29
MÚLTIPLAS ASPERIDADES DE CONTATO Similar ao caso de uma única asperidade: para contato puramente elástico: A W 2 3 e para comportamento perfeitamente A W plástico: 30
MÚLTIPLAS ASPERIDADES DE CONTATO Superfícies reais asperidades NÃO uniformes com raio e altura variáveis distribuição estatística (r, h). 31
MÚLTIPLAS ASPERIDADES DE CONTATO Com aumento da carga área de contato de cada asperidade aumenta, mas mais asperidades entram em contato área média de contato para cada asperidade permanece constante e o aumento de carga é suportado por um correspondente aumento no número de asperidades em contato mesmo para contatos puramente elásticos a ÁREA TOTAL SERÁ DIRETAMENTE PROPORCIONAL A CARGA. 32
MÚLTIPLAS ASPERIDADE DE CONTATO Duas superfícies rugosas em contato sobre a) uma carga F e sobre b) F > F. Quando a carga aumenta, o número de asperidades em 33 contato também aumenta.
MÚLTIPLAS ASPERIDADES DE CONTATO Tensão de contato entre as asperidades (Stachowiak e Batchelor, 20). 34