Manutenção IndustrialProfessor Sandro Carvalho

TRIBOLOGIA

TRIBOLOGIA

O termo tribologia, que vem do grego Τριβο (Tribo - esfregar) e Λογοσ (Logos - estudo) foi utilizado, oficialmente,pela primeira vez em 1966 em um relatório feito por H. Peter Jost para o comitê do epartamento inglês de educação e ciência. Neste relatório, o termo foi definido como a “ciência e tecnologia de superfícies interativas em movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionados” (Jost, 1990). Jost foi o primeiro a estudar os impactos econômicos devido à utilização dos conhecimentos de tribologia. Este estudo é considerado o marco de criação da tribologia (Sinatora).

• As estimativas de reduções de gastos apresentadas no relatório de Jost são de que mediante o uso do conhecimento existente podem-se reduzir as perdas por desgaste em 20% (Jost, 1966).

• O aspecto ambiental também é muito importante na análise global das perdas por desgaste.

▫ Apenas 12% da potência do motor veicular são transmitidas às rodas, o que é menor do que as perdas por atrito (cerca de 15%).

▫ Considerando melhorias de 20% a economia seria de 300 milhões de reais por ano e uma redução de 37.500 toneladas de CO2 emitidos para atmosfera, apenas na cidade de São Paulo.

TRIBOLOGIA

ATRITO

ATRITO

• Quando duas superfícies são colocadas juntas, o contato geralmente irá ocorrer somente em partes isoladas da área nominal de contato.

• Nestas zonas de contato as forças são exercidas entre os dois corpos, e é esta força a responsável pelo atrito.

• DEFINIÇÃO DE ATRITO▫ A força conhecida como atrito pode

ser definida como a resistência encontrada por um corpo em movimento sobre outro. Esta ampla definição envolve 2 tipos de movimento relativo: rolamento e deslizamento.

▫ A distinção entre atrito por rolamento e deslizamento é útil, mas as 2 não são mutuamente exclusivas, mesmo aparente mente puro no rolamento temos um pouco de deslizamento.

W W

F F

A força de atrito F é necessária para causar o movimento por rolamento ou deslizamento.A relação entre a força de atrito F e a carga normal W é conhecida como coeficiente de atrito:

µ = F/WO coeficiente de atrito pode variar sobre uma ampla faixa: de cerca de 0,001 em um mancal de rolamento levemente carregado a maiores que 10 para metais em deslizamento entre si mesmo no vácuo.Para a maioria dos materiais comuns em deslizamento no ar, contudo, o valor de µ esta em uma faixa mais estreita entre 0,1 a 1,0.

ATRITO

As Leis do AtritoAmontons (1699) – descobriu que em situações particulares o coeficiente de atrito permanecia praticamente constante. Esta observação levou a formulação de duas leis empíricas, Leis do Atrito de Deslizamento, chamadas de leis de Amontons que as redescobriu em 1699.

Leonardo da Vinci descreveu esse fenômeno 200 anos antes!!!!!!!!

A estas duas leis adiciona-se uma terceira lei, frequentemente atribuída a Coulomb (1785)

As Leis do Atrito

Estas três leis são de confiabilidade variável, mas exceto em alguns casos importantes elas sumarizam observações empíricas uteis.

1° Lei do AtritoA força de atrito é proporcional a carga normal (coeficiente de atrito é constante)

ComentáriosPrimeira Lei – para muitos materiais sob condições de deslizamento lubrificado ou não, isto é verdade. Amontons em seus experimentos a partir dos quais as leis foram deduzidas, usou muitos metais e madeira, todos lubrificados com gordura de porco; nestes casos portanto o sistema estava sob condições de lubrificação limítrofe.A primeira lei, contudo, frequentemente também é obedecida para deslizamento não lubrificado – exceção para polímeros.

A figura 3.2 mostra resultados típicos para o deslizamento não lubrificado, no ar, do aço sobre alumínio polido.O coeficiente de atrito permanece efetivamente constante apesar da carga ter variado por um fator de 106.

2° Lei do AtritoA força de atrito é independente da área aparente de contato

ComentáriosSegunda Lei – é verdadeira também para contatos a seco (não lubrificados) para a maioria dos materiais – novamente exceção para polímeros.

A figura 3.3 mostra o coeficiente de atrito para a madeira em deslizamento sobre uma superfície de aço não lubrificado. A carga normal foi mantida constante, enquanto a área aparente de contato variou de por um fator de cerca de 250; o valor do atrito demonstra ser efetivamente constante.

3° Lei do AtritoA força de atrito é independente da velocidade de deslizamento.

- É fruto da observação de que a força de atrito necessária para iniciar o deslizamento é normalmente maior do que a força necessária para mantê-lo.

-s > d

- Uma vez estabelecido o deslizamento, o d é para muitos sistemas quase independente da velocidade de deslizamento para uma ampla faixa, contudo em altas velocidades de deslizamento, da ordem de dezenas ou centenas de metros por segundo para metais, d diminui com o aumento da velocidade.

Coeficiente de atrito estático - s

Coeficiente de atrito dinâmico - d

s > d

d – após iniciar o movimento, este coeficiente

tende a ser independente da velocidade de

deslizamento.

3° Lei do Atrito

Teorias de atrito

Modelo de Coulomb

A rugosidade da superfície é assumida ter uma geometria de dente de serra. Na medida que o deslizamento ocorre da posição “A” para a posição “B” trabalho é realizado contra a carga normal “W”. A carga normal então faz uma quantidade igual de trabalho na medida que as superfícies se movem de “B” para “C”.

Mecanismos de dissipação de energia:

-Alguns mecanismos de dissipação de energia são claramente essenciais em qualquer modelo satisfatório para atrito;em metais e cerâmicos, o mecanismo é usualmente o de deformação plástica, algumas vezes em filmes interfaciais mais do que no substrato do material, enquanto que em polímeros o comportamento é frequentemente viscosoelástico.

ou seja:

Metais e cerâmicas – deformação plástica na superfície (filmes interfaciais) com maior magnitude do que no substrato do material.

Polímeros - comportamento viscoelástico.

Material viscoelástico ou visco-elástico é uma classe de materiais que apresenta reologia viscoelástica, ou seja, são materiais que, ao deformar-se, sofrem simultaneamente deformações elásticas e viscosas.

O comportamento viscoelástico:A descrição do comportamento viscoelástico dos materiais é feita através de equações diferenciais que combinam três termos:• a deformação elástica• a taxa de deformação viscosa• um termo inercial de aceleração

A tensão total é a soma das tensões parciais de cada termo. O desenvolvimento teórico da viscoelasticidade é feito através da combinação em série ou em paralelo dos modelos idealizados.

Atrito de Deslizamento:

A maioria das teorias de atrito de deslizamento correntes originaram dos trabalhos realizados por Bowden e Tabor entre 1930 e 1970 em Cambridge, UK. Base para as recentes teorias de atrito e cisalhamento

O modelo de Bowden e Tabor para o atrito de deslizamento, na sua forma simples, assume que a força de atrito é provocada por duas fontes:-Uma força de adesão desenvolvida nas áreas de contato real entre as superfícies (as junções de asperidades), e a força de deformação necessária para identar as asperidades da superfície mais dura sobre a superfície mole.

Para efeitos de avaliação, e principalmente didáticos, os efeitos da adesão e da deformação na força de atrito, normalmente são estudados separadamente.

Trabalhos realizados por Bowden e Tabor entre 1930 e 1970 em Cambridge, UK

Base para as recentes teorias de atrito e cisalhamento

Força de atrito (friccional) é provocada por duas fontes:

- Adesão – desenvolvida nas áreas reais de contato

- Deformação – necessária para identar (penetrar, riscar, etc) as asperidades da superfície “dura” contra a superfície “mole”.

Para efeitos de avaliação, e principalmente didáticos, os efeitos da adesão e da deformação na força de atrito, normalmente são estudados separadamente.

F = Fadh + Fdef

Onde:

F – força de atrito

Fadh – componente da força de atrito devido a adesão

Fdef – componente da força de atrito devido a deformação

Fadh – componente da força de atrito devido a adesão

Evidências de adesão – Figuras 3.5 e 3.6

Figura 3.6 – modelagem numérica – simulação de acordo com o Método Molecular Dinâmico.

•Na prática, a adesão não é observada a olho nú, pois na maioria dos casos a presença de filmes óxidos inibe o fenômeno; ou a energia elástica acumulada durante a compressão (tensões residuais) geram tensões suficientes para quebrar as junções de asperidades durante o processo de descarregamento , a menos que o metal seja particularmente dúctil.

•Assim, somente em metais dúcteis macios e onde filmes de óxidos são no mínimo parcialmente removidos, podemos observar apreciável adesão sob estas condições.

•A evidência dos experimentos de adesão e modelamento teórico adicional sugere que quando dois metais dissimilares deslizam um sobre o outro, as junções de asperidades formadas serão de fato mais fortes do que o mais macio dos dois metais, levando ao arrancamento e transferência de fragmentos do metal mais macio para o mais duro.

Se chamarmos a área real de contato, a soma das áreas das seções transversais de todas as junções de asperidades, por A, e assumindo que todas as junções tem a mesma tensão de cisalhamento s , então a força de atrito devido a adesão é dada por:

Fadh = A.s

Conforme visto, se o contato entre asperidades é predominantemente elástico ou predominantemente plástico, a área real de contato é quase linearmente proporcional a carga normal aplicada. Para contato entre superfícies reais de engenharia os contatos das asperidades iniciais serão efetivamente plástico e podemos escrever:

W A.HOnde W é a carga normal e H é a dureza do material mais mole no contato.

A contribuição do coeficiente de atrito a partir das forças adesivas é portanto:

Fadh = adh.W

adh = Fadh/ W s/HConsiderando que as junções de asperidades falham por ruptura dentro do material mais macio, podemos tomar s , como uma primeira aproximação ser a tensão de cisalhamento deste material; H ser a dureza deste mesmo material. Para metais, a dureza é cerca de 3 vezes a tensão de escoamento uniaxial do material.

Para metais: H 3.Y

Onde, Y é a tensão de escoamento (ensaio de tração)

A tensão de escoamento, Y, será cerca de 1.7 a 2 vezes a tensão de escoamento no cisalhamento puro, s , o fator preciso depende do critério de escoamento. Podemos esperar portanto que:

H (5.1 a 6).s

Tomando-se: H 5.s

adh s/H 1/5 0.2

Então:

A parcela, devido a adesão, para o coeficiente de atrito é de:

•A força de atrito devido ao sulcamento de asperidades duras através da superfície de um material mais macio, o componente deformação, pode ser estimado considerando uma asperidade simples de uma forma idealizada.

•Se uma asperidade cônica rígida de semi-ângulo deslizar sobre uma superfície plana, a força tangencial necessária para deslocá-la será de uma determinada quantidade de pressão, a qual podemos tomar como sendo a dureza H do material multiplicada pela área da seção transversal da ranhura

Fdef – componente da força de atrito devido a deformação

Fdef – componente da força de atrito devido a deformação

ModeloConsiderando uma asperidade cônica, com semi-ângulo , movimentando sobre um plano liso (riscando-o a uma profundidade x):

tgxHxaHFdef .... 2

222 ....212/.. tgxHaHW

A força tangencial para movimentar o cone sobre o plano e consequentemente promover certa quantidade de deformação é dada por:

Onde, H é a dureza do material e a.x é a área frontal do cone (área deslocada)

A carga normal, W, suportada pela asperidade é calculada por:

Onde, .a2 /2 é a área normal (semi-círculo).

cot.2WFdef

def

Portanto, a parcela do coeficiente de atrito devido a indentação, ou deformação, é calculada por:

Um modelo de deformação plana, onde a asperidade é assumida ser uma cunha de semi-ângulo , leva de maneira similar a: def = cot

080

Estas relações são suportadas pela evidencia de experimentos no qual asperidades macroscópicas são arrastadas sobre superfícies de metais mais macios. Portanto, a parcela do coeficiente de atrito devido a indentação, ou deformação, é calculada por:

Sabe-se que a maioria das asperidades, em situações reais de engenharia:

Ou seja:

1.0def

1.02.0 defadh

Podemos concluir a partir de um modelo simples que, mesmo para um metal mais duro deslizando sobre outro, o coeficiente de atrito total, representando a contribuição do sulcamento e adesão não deve exceder a 0,3 ou menos.

Portanto:

3.0Comparar com situações reais mostradas na Tab. 3.1!

Por que tamanha discrepância entre o modelo e os valores reais, medidos ???????

Dois importantes fenômenos não foram considerados no modelo:

- ENCRUAMENTO

- CRESCIMENTO DE JUNÇÕES

No modelo simples abaixo, o material é assumido ter um fluxo de tensão constante. Contudo, quase todos materiais encruam de alguma quantidade, e portanto a carga normal é suportada pelo fluxo plástico de alguma distância a partir da vizinhança intermediária das junções de asperidades. As junções encruarão significantemente, o que tenderá a aumentar o valor relativo da tensão s em comparação com a dureza H.

- ENCRUAMENTO – aumenta o valor da resistência ao

cisalhamento, s, em comparação com a dureza H

Portanto, adh tende a aumentar!

Mas, adh s/H

CRESCIMENTO DE JUNÇÕES

CRESCIMENTO DE JUNÇÕES

- Nos modelos descritos, assumimos que a área real de contato é determinada somente pela carga normal, e que não é afetada por forças tangenciais. Isto de fato é uma grande simplificação. Se o metal flui plasticamente ou não isto é determinado por um critério de escoamento, que leva em consideração a ação de tensões normais e de cisalhamento.

- A figura anterior mostra uma placa de material carregada contra uma superfície plana rígida, representando uma forma muito idealizada de um contato de asperidade.

- Um elemento do material interno a esta placa ( figura a ) esta sujeito a compressão uniaxial pela tensão normal P0 e podemos assumir que ela seja um ponto de escoamento, visto que sabemos que quase todo contato de asperidades entre metais são plásticos.

- Quando uma tensão tangencial é então aplicada a uma junção de asperidade, como mostrado na figura em (b), o elemento do material experimenta uma tensão de cisalhamento adicional . - Para o material permanecer no ponto de escoamento, a tensão normal sobre o elemento deve ser reduzida a P1 . Se a carga normal permanecer constante, então a área de contato deve crescer este fenômeno é então conhecido como crescimento de junção.

- A relação entre P0, P1 e é determinada pelo critério de

escoamento. Para o critério de Tresca, no qual o fluxo plástico ocorre em um valor crítico da tensão de cisalhamento máxima, temos:

20

221 .4 PP

AWP 1

No ponto de escoamento, pode-se escrever a seguinte relação:

AF

(1)

(2)

(3)

Substituindo (2) e (3) em (1):

20

222 ..4 PAFW

Para W constante e P0 uma propriedade do material

Se a força tangencial F aumentar, a área real de contato aumentará também!

Isso acontecerá indefinidamente!WF

e também aumentará!

No modelo, não existe limitação para o crescimento da área real, A

Na maioria dos casos está limitada à dutilidade do material e/ou à presença de um filme na interface, de baixa resistência ao cisalhamento, entre as duas superfícies.

Modelagem do efeito do filme interfacial de baixa resistência ao cisalhamento

Considerando a interface com resistência ao cisalhamento, i, menor do que a resistência no interior do material (A ou B)

A máxima força tangencial na interface pode ser calculada por:

Fmáx = i.Amáx

O coeficiente de atrito é calculado por:

= Fmáx/W

ATRITO DOS METAIS

Atrito dos metais

•O preciso valor de µ depende criticamente das condições experimentais na qual é medido.

Metais limpos no vácuo• Se as superfícies metálicas são limpadas no alto vácuo e então

colocadas em contato, uma forte adesão é observada.• O coeficiente de atrito nestas condições atingem valores muito

altos, tipicamente variam de 2 a 10 ou até mesmo mais vezes, acarretando em emperramento quando deslizamento for requerido.

• Fortes ligações metalicas se formam através da superficie e quando o metal é deslizado em relaçéao ao outro parte de um dos metais é transferido;

• Quando pouca ou nenhuma contaminação, interfacial esta presente, a extensão do crescimento de junção esta limitado somente pela ductilidade da aspereza do material, por este motivo µ é alto.

• Atrito por deslizamento em condições de ultra-alto vácuo ocorre na engenharia espacial- Lubrificantes sólidos e revestimentos metalicos finos são utilizados;

Metais similares em contato no ar

• Na maioria das aplicações práticas os metais são colocados em contato contra outros no ar.

• Os coeficientes de atrito são bem menores do que no vácuo (0,5 ~ 1,5);

• O comportamento do atrito depede da composição e da microestrutura do material, além das condições de medição.

• O ouro tem um valor de µ particularmente alto devido a não formação de uma camada de óxido, este fato aliado à alta ductilidade contribuem para consideravel crescimento de junção, o que também contribui para o crescimento do atrito, apesar de ser alto ainda é menor do que no vacuo.

• Todos os outros metais oxidam em alguma quantidade em presença do ar, um filme entre 1 à 10 nm é formado em poucos minutos de exposição;

• Este filme tem um papel fundamental no comportamento do atrito por deslizamento, uma vez que o atrito entre superficies de óxidos ou entre óxidos e metal nu, é quase sempre menor do que entre superfícies metalicas sem óxido.

• Logo a quebra do filme de óxido acarreta geralmente em aumento do coeficiente de atrito.

Metais similares em contato no ar

Metais e ligas dissimilares em contato

•Os filmes óxidos são também importantes no atrito de metais dissimilares e ligas no ar;

•Em geral o atrito por deslizamento para ligas tendem a ser um pouco menor que o de componentes puros;

•Algumas ligas como FoFo e Cobre-Chumbo, contëm fases que formam filmes interfaciais com baixa tensão de cisalhamento; que ajudam a diminuir o valor de µ.

Metais e ligas dissimilares em contato

Efeito da tempera tura •Quando a temperatura do metal em

deslizamento aumenta, vários efeitos podem ocorrer:▫Mudança das propriedades mecânicas;▫Aumento da tx de oxidação;▫Transformação de fase.