Tib Tribologia: i Aula 1: fundamentos O que é a tribologia? Disciplina que lida com três fenómenos interligados: Desgaste 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 e lubrificação. Actualmente 2 a 4% do PIB de um país industrializado continua a ser consumido em problemas tribológicos...
As conclusões do Jost Report (UK, 1965)
Algumas questões básicas: O que é o atrito? 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 determinado sistema?
O que é o atrito, o que é o desgaste e como se relacionam? Atrito Dissipação de energia devido ao movimento relativo de duas superfícies em contacto Desgaste Remoção de massa devido ao movimento relativo de duas superfícies em contacto. Se não houver atrito não há desgaste,mas o recíproco não é verdadeiro... e... Tudo se passa nas superfícies...
Tudo se passa nas superfícies... Como é constituída uma superfície de engenharia?
Como é constituída uma superfície de engenharia? Topografia/rugosidade Parâmetros de Rugosidade, ex: Mas existem outros...
Atenção: a topografia superficial tem um comportamento fractal Qual a escala que nos interessa????
Como contactam as superfícies? Área nominal e área real de contacto Em geral: A r << A n
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); A 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 μ = F at = τa r = τ HA r H F N μ é independente da força e da área real de contacto (2ª Lei de Amontons). Ou seja só depende do par em contacto, mas só se Ar for directamente proporcional p a FN. 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 múltiplos: modelo de Greenwood e Williamson
Contactos singulares elásticos Modelo de Hertz: contacto esfera-plano (não verifica a constância do coeficiente de atrito)
O modelo Greenwood e Williamson contactos múltiplos No modelo de Greenwood e Williamson (GW) independentemente do contacto ser elástico, plástico ou misto a área real de contacto varia sempre linearmente com a força normal. Permite encaixar as observações de Amontons!!
Mecanismos topográficos de desgaste O índice de plasticidade: Com E* o módulo de Young reduzido, H a dureza R p =1.25Ra e ρ o raio de curvatura das asperezas. Ψ<0.6 o contacto é elástico Ψ>0.6 o contacto é plástico: a probabilidade de ocorrer desgaste é maior. => Superfícies polidas têm tendência para desgastar menos...
Em geral os contactos são Em geral os contactos são predominantemente elásticos ou predominantemente plásticos??
Tipos de desgaste (mecanismos) Adesivo ++ Erosivo Fretting Abrasivo ++
O 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 original. Mecanismos associados ao desgaste adesivo Delaminação Oxidação Fadiga Gripagem
Modelo de Archard Taxa de desgaste - Q: volume removido por unidade de comprimento de deslizamento. Se considerarmos que a taxa de desgaste é proporcional p à área real de contacto (hipótese razoável) então: F Q = K N ad H
Delaminação I II III IV V VI
Delaminação Liga Al-Mo tratada por laser: os intermetálicos 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 ç de forças e velocidades normalizadas F = F N A n H n v = v.r o α
Mapas de desgaste
Mapas de desgaste Exemplo: mapa de desgaste de um par tribológico aço/aço ç
Erosão Impacto de partículas sobre a superfície
Fretting Contacto com amplitudes de movimento baixas (1-100 100 μm) e frequências que podem ser elevadas stick-slip, fadiga das superfícies 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, 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 = dv dx = r.h= h2.tgθ F N = H π.r 2 2 = 1 2 H.π.h 2.tg 2 θ 2 F Q = N π.tgθ H F Q = K ab F N H Resistência ao desgaste R = Q 11 H
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
Quais as razões dos afastamentos t ao modelo de Rabinowicz? Ou seja: a eficiência de corte pode não ser total (K.Hokirigawa and K.Kato, Kato 1985) corte puro lavragem pura Factor de eficiência ao corte A1 A2 Av f ab = A v A 1 + A 2 ( ) A v
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Mecanismos de desgaste abrasivo (Zum-Gahr 1986)
Influência da microestrutura na resposta do material Aço AISI 420: Fe-0.5%C-13%Cr Martensíte e carbonetos Austenite 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 Transição 3corpos Microestrutura monofásica Microestrutura bifásica
Identificação dos mecanismos de desgaste (Ex. Material bifásico, matriz tenaz + particulas duras) cratera Riscagem da matriz e do reforço remoção sem fractura das partículas de reforço fractura das partículas de reforço (normalmente por rotura na interface entre a partícula e a matriz)
Efeitos de escala na medição de dureza Nanodureza F N = 70 μn Microdureza F N = 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 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 = H o 1+ h* h 1/2 h * = 3tg2 θ 2bρ s Àmedidaqueaescaladadeformação diminui poderão não existir deslocações em quantidade suficiente no volume deformado para acomodar a deformação Daí resultará uma maior resistência à deformação e um aumento da dureza. Nanodurezas AFM h* Ni =62nm Ni h* Co =52nm h Co Microdurezas Vickers
Exemplo 3: Efeitos de escala na medição de dureza 2) Surface Free Energy (SFE) - Samples: Ni; Co; Ni-30% Co - Property data: H (Ni) = 1198 MPa H (Ni-30%Co) = 1376 MPa H (Co) = 2276 MPa F s 2,2 J/m 2 Φ= H sfe H Jäger s model (I. L. Jäger: Surf. Sci. Vol. 565 (2004), p. 173) extended to the DNISP nanoindentation tip: 2.569 F s H 1 h Φ Effect of SFE on the measured hardness H Bulk hardness F s Surface free energy h Indentation depth Ni Ni-30%Co Co? = 10% 1000? (%) 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 h (nm)
Exemplo 3: Efeitos de escala na medição de dureza 2) Native oxide layer -Samples:Ni;Co - Auger depth profile chemical analysis: Ar + beam Diameter = 700 μm V=3keV J=0,4 0,5 μa.cm -2 θ inc =30º P=5x10-8 mbar Sputter rate (FeO) = 0,33 nm/s % at. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Oxigen Nickel 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Depth (nm)
Lubrificação A curva de Stribeck: μ vs. Parâmetro de Sommerfeld S ηv = F N Os regimes de lubrificação: Boundary (camada limite) Mixed (mista) / Elasto-hidrodinâmica Hidrodinâmica η V S = F N
(K. Kato, 2000) A visão integrada do desgaste e lubrificação proposta por Koji Kato
Conclusões O atrito e o desgaste não são propriedades dos materiais: são propriedades do sistema. Dependem de: Par tribológico; Força; e das... propriedades p dos materiais Velocidade; Meio; Topografia da superfície