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