Desgaste de polímero Por Contato de Deslizamento

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM

ENGENHARIA MECNICA

DESGASTE DE POLMEROS ESTRUTURAIS DE ENGENHARIA EM CONTATO DE DESLIZAMENTO COM CILINDRO METLICO

Tese submetida

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obteno do grau de

DOUTOR EM ENGENHARIA MECNICA

RUTHILENE CATARINA LIMA DA SILVA

Orientador: JOO TELSFORO NBREGA DE MEDEIROS Co-orientador: JOO BOSCO DA SILVA

Natal, Abril, 2010

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM

ENGENHARIA MECNICA

DESGASTE DE POLMEROS ESTRUTURAIS DE ENGENHARIA EM CONTATO DE DESLIZAMENTO COM CILINDRO METLICO

RUTHILENE CATARINA LIMA DA SILVA

Esta Tese foi julgada adequada para a obteno do ttulo de

Doutor EM ENGENHARIA MECNICA sendo aprovada em sua forma final.

_________________________________

Joo Telsforo Nbrega de Medeiros - Orientador

iv

"Qualquer caminho que voc decida tomar, existe sempre algum para te dizer que voc est errado. Existem sempre

dificuldades surgindo que te tentam a acreditar que as crticas esto corretas. Mapear um caminho de ao e segui-lo at o fim

requer... coragem."Ralph Waldo Emerson

v

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, por ter me concedido a oportunidade de mais essa realizao.

Ao meu velho mestre Prof. Dr. Joo Telsforo Nbrega de Medeiros, no s pela orientao cientfica e ensinamentos, mas, tambm, pelo permanente incentivo, disponibilidade e amizade demonstrada. A confiana que sempre me transmitiu e a ajuda constante e incansvel, especialmente nos momentos mais difceis, permitiu-me continuar a acreditar no sucesso desta Tese

A todos os integrantes do Grupo de Estudos de Tribologia GET que contriburam direta ou indiretamente na realizao deste trabalho, em especial a M. Eng. Janana Silva de Santana, as Engenheiras de Materiais Juliana Ricardo de Souza, Las Vasconcelos da Silva e Mayara Sully Cndido Ferreira, ao Eng. Mecnico Lucas Passos e aos formandos em Engenharia Mecnica Isaac Vincius do Nascimento e Jarbas Santos de Medeiros.

Petrobras pelo apoio financeiro atravs dos contratos No0050.0013088.05 e No20072121 que permitiram a compra de equipamentos e materiais utilizados neste trabalho, assim como minha bolsa de doutorado no perodo de Mar/2006 a Out/2008.

Pr-Reitoria/CAPES pela bolsa de doutorado no perodo de Nov/2008 a Fev/2010. Ao Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Prof. Dr. Ademir Oliveira da Silva,

Prof. Dr. Joo Bosco da Silva, Prof. Dr. Antnio Moreira dos Santos pelas sugestes ao trabalho durante o exame de qualificao.

Dra Rosngela Lula de Medeiros pelo carinho amizade e apoio demonstrados durante todos esses anos.

A todos os meus amigos, que, de uma forma ou de outra me apoiaram durante esses anos, expresso aqui, tambm, minha gratido.

Por ltimo, refiro-me a todos os meus familiares, em que cada um, sua maneira, deu sua contribuio durante essa realizao. Pelo estmulo e apoio incondicional desde a primeira hora, pela pacincia e compreenso com que sempre me ouviram. Sem querer esquecer o meu Irmo Csar Lima da Silva, meu pai Eldinante Vieira da Silva e em especial minha me Eulinda Alves de Lima.

vi

GRUPO DE ESTUDOS DE TRIBOLOGIA

AGRADECIMENTO

Este trabalho de ps-graduao recebeu o apoio da Petrobras UN-RNCE, contribuindo ao empoderamento regional atravs dos projetos No 0050.0013088.05 e cristal No 20072121 celebrados com a UFRN e a FUNPEC e executados pelo GET - Grupo de Estudos de Tribologia da UFRN.

Registre-se nossa gratido s pessoas dos Engenheiros Luiz Srgio Sabia e Luiz Gonzaga Borba, Gerentes do Setor de Elevao durante o perodo de realizao deste trabalho, Rutcio de Oliveira Costa e Marcelo de Melo Cabral, Engenheiros Fiscais dos projetos dedicados a analisar o desgaste de pares de materiais aplicados ao conjunto haste polida gaxetas de um conjunto de "stuffing box" utilizado em unidades de bombeio de petrleo; aos Eng. Sara Macedo, Francisco A. Vieira, Nagib F. da Silva e Alcides R. Balthar do CT-gas

Obrigado ao gerente de relacionamento com entidades de pesquisas da Petrobras/UN-RNCE, Gelogo Carlos Alberto Poletto, sempre atencioso, aquiescente e questionador aos estudantes nos relatrios de medio dos projetos, representando o GET-UFRN, em uma das nossas formas de consolidar o ensino, a pesquisa e a extenso de forma indissocivel.

Obrigado aos Engenheiros da Petrobras/UN-RNCE e Petrobras-CENPES, Adelci Menezes de Oliveira, Claudio Soligo Camerini, Lcia M. Lzaro, Daniel Faro do Amaral Lemos, Joo Marcos Sabino e Karbage, pelas diversas discusses tcnicas abertas e de cunho formativo aos nossos estudantes e pelo apoio e interesse que manifestaram em diversas pesquisas desenvolvidas nesta Base de Pesquisa GET - Grupo de Estudos de Tribologia no perodo compreendido entre 2004 e 2009.

Este agradecimento tambm dirigido ao professor Jos Luiz da Silva Jnior e pessoal da Funpec, aos professores Ademir Oliveira da Silva, Clodomiro Alves Jnior, Djalma Ribeiro da Silva e Dulce Melo, do CCET; aos tcnicos Artejose Revoredo da Silva e rico Barreto de Oliveira, do MEV e DRX - NEPGN; aos professores Jos Daniel, Neyde Tomazin Floreoto e Rubens Maribondo, da eng. Materiais, Cleiton Rubens Formiga Barbosa, Joo Bosco da Silva, Lcio Fontes, Joo Wanderley Rodrigues Pereira, Luiz Guilherme Meira de Souza, Jos Ubiragi de Lima Mendes, Luciano Bet (in memoriam) e Luiz Pedro de Arajo, da Engenharia Mecnica e aos funcionrios do NTI-UFRN, Walter Link, Frazo, Vav, Elmar, Rosngela; aos professores Joo Bosco de A. Paulo, Gorete R. de Macedo e Ana Lcia da Mata, (Eng. Qumica), Rasiah Ladchumananandasivam, Marcos Silva Aquino, Moiss Vieira de Melo e Viviane Muniz Fonseca (Eng. Txtil), Adrio Duarte Dria Jr e .Jos Ivonildo do Rego. (Eng. Computao), Adaildo Gomes dAssuno (Eng. Eltrica), Maria das Vitrias V. A. de S (Eng. Civil) e aos funcionrios do CT, sempre solcitos e prestativos, Auniebson e Oliveira Freire, Waldcio S. A. Nascimento, Marisa Mendona e Walkyso dos Santos Jnior.

vii

SUMRIO

RESUMO___________________________________________________________ x ABSTRACT_________________________________________________________ xi LISTAS DE FIGURAS_______________________________________________ xii LISTA DE QUADROS______________________________________________ xviii LISTA DE TABELAS _______________________________________________ xx LISTA DE SMBOLOS _____________________________________________ xxii Captulo 1Captulo 1Captulo 1Captulo 1 - IntroduoIntroduoIntroduoIntroduo _____________________________________________ 1 1.1 Objetivos da Tese __________________________________________________ 5 1.2 Hiptese Investigativa ______________________________________________ 6 1.3 Contribuies Cientficas____________________________________________ 6 Captulo 2Captulo 2Captulo 2Captulo 2 - Reviso BibliogrficaReviso BibliogrficaReviso BibliogrficaReviso Bibliogrfica____________________________________ 8 2.1 Tribologia ________________________________________________________ 8

2.1.1 A importncia de ensaios em Tribologia _____________________________ 8 2.2 Modelos da Mecnica do Contato _____________________________________ 9

2.2.1 Teoria de Hertz _______________________________________________ 10 2.2.2 Mecnica do Contato aplicada a Slidos Viscoelsticos (SV) ___________ 12

2.3 Consideraes sobre os polmeros____________________________________ 12 2.3.1 Classificao _________________________________________________ 13

2.3.1.1 Termoplsticos __________________________________________ 13 2.3.1.2 Termofxos _____________________________________________ 13 2.3.1.3 Elastmeros_____________________________________________ 14

2.3.2 Comportamento viscoelstico de polmeros _________________________ 14 2.3.2.1 Carregamento dinmico de polmeros ________________________ 16

2.4 Tribologia de Polmeros____________________________________________ 19 2.4.1 Desgaste de Polmeros__________________________________________ 20 2.4.2 Parmetros que afetam o Sistema Tribolgico Polmero-Metal __________ 23 2.4.3 Influncia do contracorpo sobre o atrito e o desgaste de polmeros _______ 25 2.4.4 Polmeros Estruturais de Engenharia _______________________________ 26

2.5 Consideraes sobre a Relao Vibrao-Tribologia_____________________ 30

Captulo 3Captulo 3Captulo 3Captulo 3 - Materiais e MtodosMateriais e MtodosMateriais e MtodosMateriais e Mtodos ___________________________________ 38 3.1 Metodologia _____________________________________________________ 38

3.1.1 Aparato Experimental __________________________________________ 38 3.1.2 Ensaio Tribolgico_____________________________________________ 41

viii

3.1.3 Condies de ensaio____________________________________________ 43 3.1.4 Respostas Obtidas dos Ensaios Tribolgicos_________________________ 43

3.1.4.1 Amplitude de deslocamento, Velocidade Global da Vibrao (VGV) e Acelerao______________________________________________________ 43 3.1.4.2 Rugosidade _______________________________________________ 45 3.1.4.3 Taxa de desgaste ___________________________________________ 45 3.1.4.4 Aquecimento do Sistema ____________________________________ 45 3.1.4.5 Morfologia da superfcie de desgaste ___________________________ 46

3.2 Materiais________________________________________________________ 46 3.2.1 Polmeros ____________________________________________________ 47

3.2.1.1Corpos-de-prova Polimricos _________________________________ 47 3.2.2 Materiais Metlicos ____________________________________________ 48

3.2.2.1 Contracorpos Metlicos _____________________________________ 49 3.3 Caracterizao dos Materiais _______________________________________ 50

3.3.1 Polimricos __________________________________________________ 50 3.3.1.1 Anlises Trmicas__________________________________________ 50 3.3.1.2 Dureza___________________________________________________ 51 3.3.1.3 Raios-X __________________________________________________ 51

3.3.2 Metlico _____________________________________________________ 51 3.3.2.1 Anlise Metalogrfica _______________________________________ 51 3.3.2.2 Dureza e Microdureza_______________________________________ 51 3.3.2.3 Ensaios de trao___________________________________________ 52

3.4 Apresentao de Resultados usando o Diagrama Caixa de Medianas _______ 53

Captulo 4Captulo 4Captulo 4Captulo 4 - ResultadosResultadosResultadosResultados _____________________________________________ 544.1 Caracterizao dos Materiais ________________________________________ 54

4.1.1 Polmeros _____________________________________________________ 544.1.1.1 Anlises Trmicas___________________________________________ 544.1.1.2 Dureza____________________________________________________ 614.1.1.3 Raios X__________________________________________________ 61

4.1.2 Ao__________________________________________________________ 624.1.2.1 Anlise Metalogrfica ________________________________________ 624.1.2.2 Dureza____________________________________________________ 624.1.2.3 Ensaios de trao____________________________________________ 624.1.2.4 Desvio de Batida Radial dos Contracorpos Metlicos AISI 4140 ______ 63

4.2 Resultados dos Ensaios Tribolgicos __________________________________ 654.2.1 PEEK ________________________________________________________ 66

4.2.1.1 Aquecimento do sistema______________________________________ 664.2.1.2 Medidas de Vibrao ________________________________________ 68Deslocamento Mximo do contracorpo ________________________________ 68Velocidade Global de Vibrao (VGV) ________________________________ 69

ix

Acelerao ______________________________________________________ 714.2.1.3 Superfcies de desgaste _______________________________________ 77Mancais Fixos____________________________________________________ 77Mancais Livres ___________________________________________________ 814.2.1.4 Rugosidade ________________________________________________ 864.2.1.5 Taxa de desgaste ____________________________________________ 87

4.2.2 PTFE ________________________________________________________ 874.2.2.1 Aquecimento do sistema______________________________________ 874.2.2.2 Medidas de Vibrao ________________________________________ 91Deslocamento Mximo do contracorpo ________________________________ 91Velocidade Global de Vibrao (VGV) ________________________________ 92Acelerao ______________________________________________________ 944.2.2.3 Superfcies de desgaste _______________________________________ 98Mancais Fixos____________________________________________________ 98Mancais Livres __________________________________________________ 1024.2.2.4 Rugosidade _______________________________________________ 1044.2.2.5 Taxa de desgaste ___________________________________________ 105

Captulo 5Captulo 5Captulo 5Captulo 5 - DiscussoDiscussoDiscussoDiscusso _____________________________________________ 1075.1 Complacncia Rigidez (Compliance Stiffness) e viscoelasticidade no contato Polmero-Metal______________________________________________________ 1095.2 Balano de Energia no contato Polmero-Metal ________________________ 1105.3 Mecanismos de Desgaste de Polmeros________________________________ 1125.4 Clculo da Taxa de Desgaste de Polmeros ____________________________ 1175.5 Taxa de Aquecimento______________________________________________ 1215.6 Anlise Dinmica em Ensaio de deslizamento a Seco ____________________ 1265.7 Taxa de desgaste versus (E/)1/2 _____________________________________ 128Captulo 6Captulo 6Captulo 6Captulo 6 - ConclusesConclusesConclusesConcluses____________________________________________ 131

Sugesto para Trabalhos Futuros ______________________________________ 132

Referncias BibliReferncias BibliReferncias BibliReferncias Bibliogrficasogrficasogrficasogrficas__________________________________________ 133

Apndice AApndice AApndice AApndice A - Densidade Espectral de PotnciaDensidade Espectral de PotnciaDensidade Espectral de PotnciaDensidade Espectral de Potncia ______________________ 140

Anexo 1Anexo 1Anexo 1Anexo 1 - Modelos da Mecnica do ContatoModelos da Mecnica do ContatoModelos da Mecnica do ContatoModelos da Mecnica do Contato_________________________ 153Modelo Greenwood-Williamson (GW) _______________________________ 153Modelo JKR ____________________________________________________ 155Modelo DMT ___________________________________________________ 156

Anexo 2Anexo 2Anexo 2Anexo 2 - Modelos Matemticos para oModelos Matemticos para oModelos Matemticos para oModelos Matemticos para o Comportamento ViscoelsticoComportamento ViscoelsticoComportamento ViscoelsticoComportamento Viscoelstico 158

x

RESUMO

O presente trabalho props-se a mapear e caracterizar os mecanismos de desgaste de polmeros estruturais de engenharia oriundos do contato de deslizamento com um eixo-rvore cilndrico rotativo metlico submetido a excentricidades decorrentes de flutuaes em seu centro de massa e centro geomtrico. Para isso projetou-se e confeccionou-se uma bancada experimental a partir de uma mquina balanceadora, onde o contracorpo cilndrico era apoiado em dois mancais e o corpo-de-prova polimrico era posicionado em um porta-amostra com liberdade de deslocamento ao longo do contracorpo. Desta forma, os ensaios experimentais foram parametrizados utilizando duas posies dos mancais (Fixos ou livres) e sete posies distintas ao longo do contracorpo, o que permitiu imprimir condies diferentes para a rigidez do sistema. Demais parmetros como carga normal aplicada, velocidade e distncia de deslizamento foram mantidas constantes. Nesta investigao utilizou-se como corpos-de-prova dois polmeros estruturais de engenharia de largo uso cotidiano, PTFE (politetrafluoretileno) e PEEK (poli-ter-ter-cetona) e o ao liga AISI 4140 como contracorpo. Caracterizou-se os materiais polimricos atravs de anlises trmicas (termogravimtrica, calorimetria exploratria diferencial e dinmico-mecnica), dureza e difrao de raios-X. J o metlico foi submetido a ensaios de dureza, resistncia mecnica e anlise metalogrfica. Durante os ensaios tribolgicos eram coletadas as respostas de aquecimento com o auxlio de termopares, alm da velocidade global de vibrao (VGV) e a acelerao utilizando acelermetros. Aps os ensaios, as superfcies de desgaste dos corpos-de-prova foram analisadas utilizando um Microscpio Eletrnico de Varredura (MEV) para anlise morfolgica e espectroscopia EDS para microanlise, juntamente com a rugosidade do contracorpo, caracterizada antes e aps os ensaios tribolgicos. Observou-se que as respostas tribolgicas dos polmeros foram diferentes e que eram funo de suas estruturas moleculares e capacidades de amortecimento distintas. Foram identificados mecanismos de desgaste predominantes em cada polmero. A VGV do PTFE foi menor que a do PEEK, na condio de mnima rigidez e atribudo ao maior coeficiente de perda daquele polmero. A taxa de desgaste do PTFE foi mais de uma ordem de grandeza maior que a do PEEK. Os resultados permitiram desenvolver uma correlao entre a taxa de desgaste e o parmetro (E/)1/2 (mdulo de elasticidade, E, massa especfica, ), proporcional velocidade de propagao de uma onda elstica longitudinal no material. Palavras-chave: Mecanismos de desgaste. Polmero. Tribologia.

xi

ABSTRACT

Present work proposed to map and features the wear mechanisms of structural polymers of engineering derived of the sliding contact with a metallic cylindrical spindle submitted to eccentricity due to fluctuations in it is mass and geometric centers. For this it was projected and makes an experimental apparatus from balancing machine where the cylindrical counterbody was supported in two bearings and the polymeric coupon was situated in a holder with freedom of displacement along counterbody. Thus, the experimental tests were standardized using two position of the two bearings (Fixed or Free) and seven different positions along the counterbody, that permit print different conditions to the stiffness from system. Others parameters as applied normal load, sliding velocity and distance were fixed. In this investigation it was used as coupon two structural polymers of wide quotidian use, PTFE (polytetrafluroethylene) and PEEK (poly-ether-ether-ketone) and the AISI 4140 alloy steel as counterbody. Polymeric materials were characterized by thermal analysis (thermogravimetric, differential scanning calorimetry and dynamic-mechanical), hardness and rays-X diffractometry. While the metallic material was submitted at hardness, mechanical resistance tests and metallographic analysis. During the tribological tests were recorded the heating response with thermometers, yonder overall velocity vibration (VGV) and the acceleration using accelerometers. After tests the wear surface of the coupons were analyzed using a Scanning Electronic Microscopy (SEM) to morphological analysis and spectroscopy EDS to microanalysis. Moreover the roughness of the counterbody was characterized before and after the tribological tests. It was observed that the tribological response of the polymers were different in function of their distinct molecular structure. It were identified the predominant wear mechanisms in each polymer. The VGV of the PTFE was smaller than PEEK, in the condition of minimum stiffness, in function of the higher loss coefficient of that polymer. Wear rate of the PTFE was more of a magnitude order higher than PEEK. With the results was possible developed a correlation between the wear rate and parameter (E/)1/2 (Young modulus, E, density, ), proportional at longitudinal elastic wave velocity in the material.

Keywords: Wear mechanism. Polymer. Tribology.

xii

LISTAS DE FIGURAS

Figura 1 Desenho esquemtico de uma unidade de bombeamento de petrleo (cavalo-mecnico)----------------------------------------- 1

Figura 2 Parmetro de aproximao a (approach) de um cilindro rotativo metlico e uma superfcie polimrica inicialmente plana nos tempos 1 (inicio de um contato no-conforme), 2 e 3 (contatos conformes)----------------------------------------------------

2

Figura 3 Imagem esquemtica do contracorpo metlico desenvolvido para assegurar sistematicamente incrementos infinitesimais de rigidez em loci diferentes e simtricos ao longo da linha elstica resultante da sua deformao flexional-------------------------------

5 Figura 4 Esquema de uma esfera pressionada contra uma superfcie

plana, onde P a carga normal, d o deslocamento---------------

11 Figura 5 Comportamento tenso-deformao em materiais elsticos e

viscoelsticos em dois valores de tempo, t1 e t2 (baseado em CROWFORD, 1998)----------------------------------------------------

16

Figura 6 Variao senoidal de tenso e deformao em material viscoelstico--------------------------------------------------------------

17 Figura 7 Diagrama mostrando mdulo complexo (E*) relativo ao mdulo

de perda (E) e mdulo de armazenamento (E)--------------------

18 Figura 8 Variao clssica de E1, E2 e tan para um material

viscoelstico--------------------------------------------------------------

19 Figura 9 Duas classes gerais de mecanismos de desgaste de polmeros---- 20 Figura 10 Taxa de desgaste do Polietileno de Ultra-alto peso molecular

(UHMWPE) deslizando contra ao, em funo da rugosidade da superfcie do ao (HUTCHINGS, 1992)-----------------------------

21

Figura 11 Aparncia tpica de reao triboquimica (Dasari, 2007)----------- 23 Figura 12 Estrutura qumica do PTFE-------------------------------------------- 26 Figura 13 Esquemas das molculas de PE e PTFE------------------------------ 27 Figura 14 (a) Cristal de PTFE (b) desgaste do PTFE em forma de lminas

(baseado em STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996)------------ 28

Figura 15 Estrutura qumica do PEEK (baseado em ZEUS, 2005)----------- 29 Figura 16 Exemplo de nvel de vibrao ao longo do tempo medido na

direo radial de um rolamento NSK 6204 com defeito pr-determinado em sua pista externa (Cesar, 2006 apud Menna, 2007)-----------------------------------------------------------------------

31

Figura 17 Sinal no domnio da freqncia obtido aps a transformada de Fourier (BIBLIOTECA VIRTUAL DO ESTUDANTE BRASILEIRO, acesso em 20/07/2009)-------------------------------

31

Figura 18 Carta 01 de seleo de materiais (Ashby, 2000)--------------------- 34 Figura 19 Diagrama esquemtico do aparato experimental utilizado na

presente tese e descrio dos principais itens------------------------ 39

xiii

Figura 20 Diagrama esquemtico do aparato experimental utilizado na presente tese e descrio dos principais itens------------------------ 39

Figura 21 Diagrama esquemtico (a) contracorpo com sete segmentos cilndricos (b) linha elsticas gerada pela ao das foras P, Ry1 e Ry2-----------------------------------------------------------------------

41

Figura 22 Instrumentao do tribmetro------------------------------------------ 42 Figura 23 Acelermetro utilizado e especificaes ----------------------------- 43 Figura 24 Imagem do par tribolgico PEEK-Ao AISI 4140 destacando a

zona de contato e o termopar que mede a temperatura a 3,00,5 mm do contato------------------------------------------------------------

46

Figura 25 Corpos-de-prova polimricos em (1) PTFE (2) PEEK, a seta indica o orifcio para encaixe do termopar--------------------------- 47

Figura 26 Imagens da superfcie de ensaio do (a) PEEK e (b) PTFE--------- 48 Figura 27 Desenho esquemtico do contracorpo metlico com as principais

dimenses----------------------------------------------------------------- 49

Figura 28 Corpo-de-prova de ensaio de trao baseado na norma ASTM E8-------------------------------------------------------------------------- 52

Figura 29 Exemplo de Grfico Caixa de Medianas----------------------------- 53 Figura 30 Anlise termogravimtrica TG e DrTG do PEEK------------------ 55 Figura 31 Anlise termogravimtrica TG e DrTG do PTFE------------------- 55 Figura 32 Anlise DSC do PEEK-------------------------------------------------- 56 Figura 33 Anlise DSC do PTFE-------------------------------------------------- 57 Figura 34 Propriedades dinmico-mecnicas do PEEK em funo de (a)

Temperatura (b) freqncia---------------------------------------------

58 Figura 35 Propriedades dinmico-mecnicas do PTFE em funo de (a)

Temperatura (b) freqncia--------------------------------------------- 60

Figura 36 Difratograma de Raios X dos polmeros estudados, PEEK e PTFE---------------------------------------------------------------------- 61

Figura 37 Microestrutura do ao AISI 4140 (200X)---------------------------- 61 Figura 38 Curvas Tensao versus Deformao obtidos dos ensaios de trao 63 Figura 39 Desvios de Batida Radial das hastes H1, H2, H3 e H4, utilizadas

nos ensaios com Mancais Livres---------------------------------------

64 Figura 40 Desvios de Batida Radial das hastes H5, H6, H7 e H8, utilizadas

nos ensaios com Mancais Fixos----------------------------------------

65 Figura 41 Aquecimento do sistema em funo da distncia de

deslizamento para o PEEK nas condies de mancais fixos (MF) e mancais livres (ML) nos sete segmentos---------------------------

66

Figura 42 Aquecimento do Sistema nos ensaios com PEEK-AISI 4140 (a) Mancais fixos (b) Mancais livres--------------------------------------

68 Figura 43 VGV dos ensaios com PEEK-AISI 4140 com mancais fixos e

livres-----------------------------------------------------------------------

70 Figura 44 Quartis da VGV dos ensaios com PEEK-AISI 4140 (a) Mancais

xiv

fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------- 71 Figura 45 Densidade Espectral de Potncia da acelerao do eixo usado no

ensaio PEEK-AISI 4140 Haste 4 (H4) (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------------------

72

Figura 46 Densidade Espectral de Potncia da acelerao do eixo usado no ensaio PEEK-AISI 4140 Haste 7 (H7) (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------------------

73

Figura 47 Espectro de DEP das hastes (a)H7 e (b)H8, ensaio e repetio com PEEK e mancais fixos em S1------------------------------------ 76

Figura 48 MEV da superfcie desgastada do PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em S1 com Mancais Fixos (a) detector de eltrons secundrios-SE (b) detector de eltrons retroespalhados-BSE na lateral direita da zona de contato (a seta indica a direo e sentido do deslizamento)-----------------------------------------------

77

Figura 49 (a) detector SE (b) detector BSE da imagem MEV da proa formada na superfcie desgastada de PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em S2 com Mancais Fixos (c) imagem MEV e (d), (e), (f) microanlises das regies A, B e C, respectivamente------

78

Figura 50 MEV da superfcie desgastada do PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em S3 com Mancais Fixos (a) detector SE (b) detector BSE na lateral direita da zona de contato (a seta indica a direo e sentido do deslizamento)------------------------------------

79 Figura 51 MEV da superfcie desgastada de PEEK aps ensaiar contra

AISI 4140 em S4 com Mancais Fixos-------------------------------- 80

Figura 52 MEV da superfcie desgastada de PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em S5 com Mancais Fixos-------------------------------- 80



Figura 55 MEV da superfcie desgastada de PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em S1 com Mancais Livres------------------------------- 82





Figura 60 MEV da superfcie desgastada de PEEK aps ensaiar contra AISI 4140 em (a)S6 e (b) S7, com Mancais Livres----------------- 86

Figura 61 Rugosidade Ra dos contracorpos antes e aps os ensaios com PEEK-AISI 4140 (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------ 86

Figura 62 Taxa de desgaste do PEEK aps ensaiar contra o ao AISI 4140 com Mancais fixos e Mancais livre----------------------------------- 87

xv

Figura 63 Aquecimento do sistema em funo da distncia de deslizamento para os dois polmeros nas condies de mancais fixos (MF) e mancais livres (ML) nos sete segmentos-------------

88

Figura 64 Aquecimento do Sistema nos ensaios com PTFE-AISI 4140 (a) Mancais fixos (b) Mancais livres-------------------------------------- 91

Figura 65 VGV dos ensaios com PEEK-AISI 4140 com mancais fixos e livres----------------------------------------------------------------------- 92

Figura 66 Quartis da VGV dos ensaios com PTFE-AISI 4140 (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------- 94

Figura 67 Densidade Espectral de Potncia da acelerao do eixo usado no ensaio PTFE-AISI 4140 Haste 2 (H2) (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------------------

95

Figura 68 Densidade Espectral de Potncia da acelerao do eixo usado no ensaio PTFE-AISI 4140 Haste 6 (H6) (a) Mancais fixos (b) Mancais livres------------------------------------------------------------

96

Figura 69 MEV da superfcie desgastada de PTFE aps ensaiar contra AISI 4140 em S1 com Mancais Fixos-------------------------------- 98




Figura 73 MEV da superfcie desgastada de PTFE aps ensaiar contra AISI 4140 em S5 com Mancais Fixos--------------------------------

100 Figura 74 MEV da superfcie desgastada de PTFE aps ensaiar contra

AISI 4140 em S6 com Mancais Fixos--------------------------------


AISI 4140 em S7 com Mancais Fixos--------------------------------


AISI 4140 em (a)S1 e (b) S2, com Mancais Livres-----------------


AISI 4140 em S4 com Mancais Livres-------------------------------







104 Figura 81 Rugosidade Ra dos contracorpos antes e aps os ensaios com

PTFE-AISI 4140 (a) Mancais fixos (b) Mancais livres-------------

105 Figura 82 Taxa de desgaste do PTFE aps ensaiar contra o ao AISI 4140

com Mancais fixos e Mancais livre-----------------------------------

106 Figura 83 Taxa de desgaste do PTFE aps ensaiar contra o ao AISI 4140

xvi

com Mancais fixos------------------------------------------------------- 106 Figura 84 Carta 8 de Ashby, associando o amortecimento interno, expresso

pelo coeficiente de perda, com o mdulo de Young de um material estrutural de Engenharia--------------------------------------

108

Figura 85 Escalas de tamanho onde ocorrem processos de desgaste---------- 109 Figura 86 Esquema do Volume de controle constitudo pelo par polmero-

metal-----------------------------------------------------------------------

110 Figura 87 Interaes tribolgicas bsicas levando a remoo de partculas

de desgaste----------------------------------------------------------------

113 Figura 88 Imagens de MEV (a) PTFE aps o ensaio destacando a

delaminao (b) PEEK aps o ensaio, destacando uma cratera---

114 Figura 89 Imagens de MEV de uma trinca identificada na superfcie de

desgaste do PTFE evidenciando possvel ocorrncia de microfissura (crazes) (a) 600x e (b) 18000x-------------------------

114

Figura 90 Imagem de MEV da superfcie do PEEK aps ensaiar no segmento S5 com mancais livres-------------------------------------- 115

Figura 91 Imagens em BSE de MEV e microanlise da superfcie de PEEK aps ensaio, destacando as regies de colorao mais clara como oxido de ferro e cromo, constituintes do contracorpo AISI 4140-

116 Figura 92 Imagem do ensaio PTFE AISI 4140, a seta destaca a aderncia

de PTFE sobre o contracorpo------------------------------------------

117 Figura 93 Diagrama esquemtico do contato [fonte: Zhang et al., 2009]---- 118 Figura 94 Imagem de MEV da superfcie de desgaste do PTFE com a

medida da largura da zona de contato---------------------------------

119 Figura 95 Taxa de desgaste calculada atravs da medida da cratera---------- 119 Figura 96 Comparao da taxa de desgaste calculada atravs da medida da

cratera de desgaste e da variao de massa---------------------------

120 Figura 97 Esquema mostrando transio de contato no-conforme para

conforme------------------------------------------------------------------

121 Figura 98 Variao do coeficiente de atrito, , com a razo entre a

resistncia ao cisalhamento da interface e aquela do material do substrato (i/0) (baseado em HUTCHINGS, 1992)----------------

122

Figura 99 Taxas de aquecimento nos ensaios com PEEK na condio e Mancais Fixos------------------------------------------------------------

123 Figura 100 Taxas de aquecimento nos ensaios com PEEK na condio e

Mancais Livres-----------------------------------------------------------

124 Figura 101 Taxas de aquecimento nos ensaios com PTFE na condio e

Mancais Fixos------------------------------------------------------------

124 Figura 102 Taxas de aquecimento nos ensaios com PTFE na condio e

Mancais Livres-----------------------------------------------------------

125 Figura 103 Comparao da variao na intensidade do pico de 27 Hz

identificado nos espectros de DEP------------------------------------



127

xvii

Figura 105 Comparao da variao na intensidade do pico de 27 Hz identificado nos espectros de DEP------------------------------------



127 Figura 107 (a) Taxa de desgaste dos polmeros PTFE e PEEK obtidos nas

condies utilizadas neste trabalho em funo de (E/)1/2; (b) Carta de Ashby com valores de taxas de desgaste para materiais estruturais da Engenharia-----------------------------------------------

129 Figura 108 Modelo do contato entre uma superfcie rugosa e uma superfcie

plana onde as asperezas so hemisfricas de raio r, P a carga normal, d a separao ente o plano de referncia e a superfcie plana e z a altura de uma aspereza acima do plano de referncia-----------------------------------------------------------------

153 Figura 109 Modelos mecnicos para slidos (mola) e lquidos

(amortecedor) (RAM, 1997)-------------------------------------------

158 Figura 110 (a) deformao de um slido elstico (b) deformao de um

lquido newtoniano, a tenso constante (RAM, 1997)--------------

158 Figura 111 Modelos viscoelsticos (CROWFORD, 1998; RAM, 1997)------ 159

xviii

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 Classificao de picos identificados em espectros de freqncia (BIBLIOTECA VIRTUAL DO ESTUDANTE BRASILEIRO, acesso em 20/07/2009)-------------------------------------------------

33

Quadro 2 Mancais que suportavam o eixo cilndrico (contracorpo)--------- 40 Quadro 3 Espectros dos ensaios com PEEK, Mancais Fixos (H7),

segmento S1--------------------------------------------------------------

75 Quadro 4 Espectros dos ensaios com PEEK, Mancais Livres (H4),

segmento S1--------------------------------------------------------------

75 Quadro 5 Espectros dos ensaios com PTFE, Mancais Fixos (H6),

segmento S1--------------------------------------------------------------

97 Quadro 6 - Espectros dos ensaios com PTFE, Mancais Livres (H2),

segmento S1--------------------------------------------------------------

97 Quadro 7 Processos dissipativos destacados nos contato polmero-meta---- 112 Quadro 8 Espectros dos ensaios com PEEK, Mancais Livres (H4),

segmento S2--------------------------------------------------------------


segmento S3--------------------------------------------------------------


segmento S4--------------------------------------------------------------


segmento S5--------------------------------------------------------------


segmento S6--------------------------------------------------------------


segmento S7--------------------------------------------------------------

143 Quadro 14 Espectros dos ensaios com PTFE, Mancais Livres (H4),

segmento S2--------------------------------------------------------------


segmento S3--------------------------------------------------------------


segmento S4--------------------------------------------------------------


segmento S5--------------------------------------------------------------


segmento S6--------------------------------------------------------------


xix

segmento S7-------------------------------------------------------------- 146 Quadro 20 Espectros dos ensaios com PEEK, Mancais Fixos (H7),

segmento S2--------------------------------------------------------------

146 Quadro 21 Espectros dos ensaios com PEEK, Mancais Fixos (H7),

segmento S3--------------------------------------------------------------


segmento S4--------------------------------------------------------------


segmento S5--------------------------------------------------------------


segmento S6--------------------------------------------------------------


segmento S7--------------------------------------------------------------


segmento S2--------------------------------------------------------------


segmento S3--------------------------------------------------------------


segmento S4--------------------------------------------------------------


segmento S5--------------------------------------------------------------


segmento S6--------------------------------------------------------------


segmento S7--------------------------------------------------------------

152

xx

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Trabalhos publicados em peridico/congresso no perodo 2006 2009-------------------------------------------------------------------------

6

Tabela 2 Caractersticas tribolgicas de polmeros tpicos---------------------- 19

Tabela 3 Classificao de Kurtze para propagao de ondas em slidos----- 36

Tabela 4 Parmetros do ensaio tribolgico---------------------------------------- 43

Tabela 5 Freqncias principais em um rolamento------------------------------ 44

Tabela 6 Frequncias caractersticas dos rolamentos de apoio da haste------ 44

Tabela 7 Caractersticas tribolgicas dos materiais a serem estudados------- 47

Tabela 8 Procedimento de confeco de corpos-de-prova---------------------- 48

Tabela 9 Composio qumica dos aos estudados------------------------------ 49

Tabela 10 Pares tribolgicos utilizados nos ensaios------------------------------- 50

Tabela 11 Principais etapas da curva termogravimtrica dos polmeros utilizados (valores aproximados)---------------------------------------

56

Tabela 12 Resultados de DSC para os polmeros---------------------------------- 57

Tabela 13 Valores de mdulo de armazenamento, E, e coeficiente de perda Tan a temperatura ambiente--------------------------------------------

60

Tabela 14 Resultados de dureza dos materiais polimricos---------------------- 61

Tabela 15 Valores mdios de Dureza e Microdureza do ao--------------------- 62

Tabela 16 Resultados de resistncia trao e deformao dos aos estudados--------------------------------------------------------------------

62

Tabela 17 Condio de ensaio para cada haste------------------------------------- 66

Tabela 18 Deslocamento mximo do contracorpo no ensaio com PEEK e mancais fixos---------------------------------------------------------------

69

Tabela 19 Deslocamento mximo do contracorpo no ensaio com PEEK e mancais livres--------------------------------------------------------------

69

Tabela 20 Principais freqncias identificadas nos espectros de DEP---------- 74

Tabela 21 Deslocamento mximo do contracorpo no ensaio com PTFE e mancais fixos---------------------------------------------------------------

91

Tabela 22 Deslocamento mximo do contracorpo no ensaio com PTFE e mancais livres--------------------------------------------------------------

92

xxi

Tabela 23 Valores de taxa de desgaste do PEEK e PTFE extrados da literatura---------------------------------------------------------------------

121

Tabela 24 Anlise dos modelos matemticos de Maxwell e Voigt para descrever o comportamento viscoelstico------------------------------

160

xxii

LISTA DE SMBOLOS

P Carga normal [N] R Raio da esfera [m] d Deslocamento [m] ao Raio de contato [m] Ec* Mdulo do contato [GPa] E1 Mdulo de elasticidade do corpo 1 [GPa] E2 Mdulo de elasticidade do corpo 2 [GPa] p Presso de contato [Pa] po Presso de contato mxima [Pa] Tenso [MPa] Deformao [%] Taxa de cisalhamento [Pa]

Taxa de deformao [s-1]

Velocidade angular [RPM] Freqncia [Hz] T Perodo de oscilao senoidal

f Defasagem E Mdulo de armazenamento [GPa] E Mdulo de perda [GPa] E* Mdulo complexo k Taxa de desgaste [m2/N] Ra Rugosidade mdia aritmtica [m] V Velocidade de deslizamento [m/s] Tg Temperatura de transio vtrea [oC] Tf Temperatura de fuso [oC] Massa especfica [g/cm3 e Mg/m3] c Velocidade de propagao da onda [m/s] G Mdulo de elasticidade transversal do meio [GPa] Ea Mdulo de compressibilidade [GPa] Ry1 e Ry2 Reaes nas extremidades da haste

Deflexo l Comprimento [mm] kshear Tenso de cisalhamento simples do material

xxiii

S1, S2,...,S7

Segmento cilndrico

M Momento fletor

1 e 2 ngulos I Momento de inrcia VGV Velocidade global de vibrao [mm/s] Q Volume desgastado por distncia de deslizamento H Dureza

K Constante de desgaste ML Mancais livres

MF Mancais fixos

Tc Temperatura prxima ao contato [oC] Ta Temperatura ambiente [oC] Aquecimento do sistema [oC] L Distncia de deslizamento [m] Coeficiente de atrito

1

Captulo 1Captulo 1Captulo 1Captulo 1

IntroduoIntroduoIntroduoIntroduo

Unidades de bombeio de petrleo, comumente chamadas de cavalo mecnico, executam o movimento de deslizamento linear alternado (Figura 1). Durante esta operao de bombeamento o fluido extrado do fundo do poo at a superfcie e segue para o reservatrio. Caixas de engaxetamento (stuffing-boxs) so constituintes desse sistema, e nestas so inseridas gaxetas de vedao que juntamente com uma haste polida (polished-rod) possuem a funo de evitar que o fluido vaze para o ambiental externo causando, assim, impactos ambientais e elevao nos custos operacionais.

Nesta configurao as gaxetas so pressionadas contra a haste polida configurando, assim, pares tribolgicos, conforme destacado na Figura 1. As gaxetas so normalmente confeccionadas de material polimrico, sendo a borracha nitrlica (NBR) a mais comum, j as hastes so fabricadas de ao, revestido ou no.

Figura 1 Desenho esquemtico de uma unidade de bombeamento de petrleo (cavalo-mecnico)

O desgaste do par tribolgico haste polida gaxeta foi tema de um estudo desenvolvido no Grupo de Estudos de Tribologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) em parceria com a Petrobras, onde constatou-se, em campo,

2

que diversas vezes as hastes polidas eram submetidas operao apresentando-se desalinhadas em relao ao eixo vertical. Tal desalinhamento se dava em decorrncia de uma montagem inadequada do sistema o que resultava em vibraes.

Excentricidades decorrentes de flutuaes entre o centro de massa e o centro geomtrico de um eixo-rvore cilndrico rotativo metlico suportado por dois mancais promovem o rodopio (whirling) desse eixo-rvore. um fenmeno intrinsecamente dinmico, vinculado ao desbalanceamento de sistemas rotativos.

Submetendo-se esse eixo-rvore metlico rotativo, balanceado ou no, doravante denominado contracorpo ou corpo antagonista ao contato com um corpo-de-prova constitudo por uma superfcie plana e estacionria de um material polimrico sob uma carga compressiva, Figura 2, acentuam-se, ou no, no-linearidades nesse sistema, como stick-slip (fenmeno caracterizado por sucessivas alternncias entre aderncia e deslizamento no contato entre dois corpos) e/ou amortecimento no-linear. O sistema tribolgico assim desenvolvido e constitudo desencadear no polmero um conjunto de mecanismos de desgaste, constituintes deste trabalho de Tese.

Figura 2 Parmetro de aproximao a (approach) de um cilindro rotativo metlico e uma superfcie polimrica inicialmente plana nos tempos (a)1 (inicio de um contato no-conforme), (b) 2 e (c) 3 (contatos conformes)

O mapeamento do conjunto desses mecanismos de desgaste de material polimrico e a sua caracterizao so o primeiro passo na direo da modelagem desse sistema complexo, desde uma condio de contato no-conforme cilindro plano, Figura 2(a), para uma condio final, Figura 2(c), em que a superfcie plana do polmero deforma-se plasticamente constituindo um contato conforme. As flutuaes entre o centro de massa e o centro geomtrico, que promovem as excentricidades desse sistema, interagem com a zona de contato e alteram importantes parmetros do contato, como a aproximao, a presso de contato, a temperatura de contato. Para isto, necessita-se de uma bancada experimental que permita sistematizar e quantificar essas flutuaes e essas

(a) (b) (c)

3

excentricidades e de um mtodo cientfico que assegure a possibilidade de se elaborar a taxionomia dos mecanismos de desgaste a elas associados.

Este o foco desta Tese de Doutorado. Desenvolveu-se uma bancada em laboratrio e se investigou o desgaste de dois materiais polimricos submetidos, ou no, as tais excentricidades que podem promover fenmenos dinmicos como o rodopio, por exemplo. Pesquisou-se como evolui o desgaste de cada polmero submetido ao contato com um rotor de ao suportado por mancais nas condies, fixas ou livres.

O fato de que vibrao pode causar ou modificar o desgaste geralmente reconhecido e associado a rigidez de um sistema, segundo Bayer (1995), editor do livro, Effect of the mechanical stiffness and vibration on wear, para quem no h uma literatura bem definida associando o efeito da vibrao e rigidez sobre o desgaste. Assim, no bastassem as no-linearidades constitutivas dos materiais polimricos, sua mobilidade segmental e caracterstica de relaxao e desenvolvimento de modelos termodinmicos como destacado por Pieruccini e Flores (2010), as respostas vibracionais dos sistemas envolvendo polmeros majoram a complexidade do atrito e do desgaste. Tais fatores so geralmente citados como possveis integrantes da disperso nos resultados de ensaios obtidos com diferentes mquinas ou entre laboratrios ou como a razo para a falta de correlao entre ensaios de laboratrio e desempenho em campo.

Compreender e minimizar perdas materiais e energticas associadas aos processos de atrito e desgaste de pares tribolgicos um desafio que tem motivado o desenvolvimento de pesquisas em todo o mundo. Busca-se ensaiar e classificar materiais para que assegurem uma maior vida quando submetidos a contato slido-slido em pares tribolgicos fabricados de um mesmo ou de materiais diferentes.

O escopo central desta tese propor um mtodo para estudos exploratrio inicial dos principais mecanismos de desgaste do contato polmero (estacionrio) metal (rotativo) biapoiado em mancais que operam em duas possveis condies, livre e fixa. Buscam-se respostas, pois, s indagaes: (a) quais fatores interferem no comportamento tribolgico de pares polmero-ao e (b) como a superfcie de um polmero responde morfolgica, dinmica e termicamente a esse contato de deslizamento ?

O comportamento dinmico de sistemas tem sido o tema de estudo de uma variedade de autores, mas a sua influncia sobre o comportamento tribolgico de polmeros ainda uma questo em aberto, que deve ser investigada. Chowdhury et al.

4

(2007) fizeram uma reviso da literatura e mencionaram que a vibrao pode interferir na taxa de desgaste dependendo dos pares de materiais envolvidos. Eles controlaram a freqncia de vibrao do sistema e avaliaram a sua influncia sobre o desgaste de aos doce. Puderam constatar que a taxa de desgaste era significativamente maior em condies de baixa amplitude de vibrao. Surgem, portanto, as indagaes: E se fosse desgaste de polmeros? Dinamicamente, o que mudaria?. Estes autores investigaram, tambm, em 2008, o efeito da amplitude de vibrao sobre o coeficiente de atrito de diferentes materiais.

Dentro dessa abordagem, foram selecionados dois materiais polimricos estruturais de engenharia de largo uso cotidiano. Esta classe de materiais possui propriedades altamente influenciadas pela estrutura das cadeias moleculares e sua mobilidade segmental, que por sua vez influenciada pelo processo de formao de cristais conforme mencionado por Pieruccini e Flores (2010). O comportamento mecnico dos polmeros, apesar de apresentar semelhanas, tambm apresenta uma srie de caractersticas que os distinguem dos materiais metlicos. Este estudo foi realizado com dois polmeros: PTFE (politetrafluoretileno) e PEEK (poli-ter-ter-cetona).

O PTFE considerado um plstico de engenharia devido s suas caractersticas de alta resistncia qumica, baixo coeficiente de atrito e alta estabilidade trmica (para um polmero). Por este motivo, comumente usado em aplicaes tribolgicas como mancais, selos e fitas veda-roscas. Entretanto, ele apresenta pobre resistncia ao desgaste por deslizamento, o que leva a falha prematura dos componentes desenvolvidos com esse material (Khedkar et al., 2002; Li et al.2000).

O PEEK um candidato a substituto de metais devido sua excelente resistncia corroso, resistncia ao desgaste, elevada estabilidade trmica (para um polmero), leveza e caractersticas superiores em relao vedao (Brydson, 1999).

Dentro deste contexto, so discutidoa nesta Tese os mecanismos de dano em polmeros estruturais e suas flutuaes trmicas a eles associadas. Para isso, foi desenvolvida uma bancada experimental de ensaio de deslizamento na configurao Plano-Cilindro que permitiu avaliar a rigidez sob dois aspectos: (1) a condio dos mancais (a) livres e (b) fixos que suportam o contracorpo cilndrico metlico; (2) a condio do contracorpo instalado em loci diferentes ao longo da linha elstica resultante da deformao flexional, de modo a constituir incrementos infinitesimais rigidez do sistema contracorpo metlico elstico corpo-de-prova polimrico viscoelstico, Figura 3.

5

Figura 3 Imagem esquemtica do contracorpo metlico desenvolvido para assegurar sistematicamente incrementos infinitesimais de rigidez em loci diferentes e simtricos ao longo da linha elstica resultante da sua deformao flexional

Alem desta introduo, cinco captulos, um apndice e dois anexos compem este trabalho. No captulo 2 apresentada a reviso bibliogrfica onde inicialmente foram abordadas definies de Tribologia, seguido da histria e de conceitos bsicos sobre a Mecnica do Contato. Na seqncia foi apresentada uma reviso sobre assuntos pertinentes ou interrelacionados a este trabalho, intrisicamente complexo, envolvendo polmeros, tribologia e vibraes mecnicas.

O captulo 3 composto dos materiais e mtodos utilizados na pesquisa, englobando a descrio do projeto e construo do tribmetro e sua instrumentao, os materiais e sua caracterizao fsico-qumica e mecnica, alm dos mtodos de caracterizao do desgaste e da rigidez.

No captulo 4 so apresentados os resultados referentes caracterizao dos materiais, aquecimento do sistema, vibrao, anlises morfolgicas, taxas de desgaste e rugosidade. feita uma breve discusso em cima destes resultados objetivando descrever os fenmenos identificados.

Uma discusso dos principais resultados apresentada no captulo 5, buscando associao entre os mesmos e fornecer a contribuio original desta Tese. No captulo 6 so inseridas as concluses desta pesquisa. O apndice A composto dos grficos de Densidades Espectral de Potncia (DEP) da acelerao originados durante os ensaios de desgaste. No anexo 1 apresentada uma reviso das principais teorias da Mecnica do Contato, enquanto no anexo 2 so fornecidos os principais modelos matemticos do comportamento viscoelstico dos polmeros.

1.1 Objetivos da Tese 1. Investigar experimentalmente os mecanismos de desgaste de dois polmeros

estruturais de Engenharia considerando-se duas componentes associadas a rigidez do contato, a saber:

6

(1) os mancais (a) livres e (b) fixos que suportam o contracorpo cilndrico metlico;

(2) o contracorpo instalado em loci diferentes ao longo da linha elstica resultante da deformao flexional do sistema corpo viscoelstico contracorpo;

2. Traar as curvas respostas do eixo (velocidade crtica) devido variao na rigidez do sistema;

1.2 Hiptese Investigativa Na condio de deslizamento a seco, com velocidade e carga normal constantes,

formulou-se a seguinte hiptese investigativa:

Polmeros estruturais de engenharia, quando submetidos ao contato de deslizamento, a seco, contra um ao sob condies distintas de rigidez do sistema tem seus mecanismos de desgaste influenciados pela sua estrutura qumica e molecular.

1.3 Contribuies Cientficas Durante os quatro anos deste doutorado foram desenvolvidos trabalhos que foram

publicados em peridicos e congressos fundamentais para o direcionamento desta tese. Os trabalhos esto discriminados na Tabela 1.

Tabela 1 Trabalhos publicados em peridico/congresso no perodo 2006 2009 Trabalho Peridico/Congresso Objetivo

A Study on the sliding wear

behaviour of PTFE

composites for application in

oil seals (LIMA DA SILVA et al.

2006)

SBPMat 2006

Florianpolis/SC

- Investigar o comportamento

tribolgico do PTFE e compsitos

constitudos de matriz de PTFE.

Is there delamination wear in

polyurethane? (LIMA DA

SILVA et al. 2007a)

Wear 263 (2007) 974

983

Montreal

- Apresentao de resultados

obtidos no mestrado e discusses

levantadas pela banca durante a

defesa.

Wear rate fluctuation of a

sliding system polymer-steel

under the effect of fixed and

free journal bearings. (LIMA

DA SILVA et al. 2007b)

COBEM 2007

Braslia

- (a) Avaliar a resposta da variao

na rigidez do sistema de

deslizamento investigado atravs

da liberdade dos mancais.

- (b) Analisar o comportamento de

materiais distintos para corpo-de-

prova e contracorpo submetidos

ao sistema proposto.

7

Sliding contact metal

polymer with variable

stiffness (LIMA DA SILVA et

al. 2008)

Friction Wear and Wear

Protection 2008

Aachen

- Investigar o papel da rigidez do

contato em um sistema tribolgico

considerando as duas

componentes de rigidez

propostas.

Avaliao do desgaste de

poliuretano submetido a

ensaios de deslizamento.

(SILVA, L. V. et al. 2008a)

CONEM 2008

Salvador/BA

- Prosseguir nas discusses

referentes ao comportamento do

TPU, quando submetido a ensaios

no sistema investigado.

Deslizamento a seco do PEEK

e PTFE contra ao-liga.

(SILVA, L. V. et al. 2008b)

CBECIMAT 2008

Recife/PE

- Avaliar e comparar o

comportamento dos sistemas

tribolgicos PEEK-ao e PTFE-ao

submetidos a ensaios de

deslizamento

Desgaste por deslizamento

de polmeros contra ao-liga.

(LIMA DA SILVA et al. 2009)

ABM 2009

Belo Horizonte/MG

- Idem e determinar as tenses de

cisalhamento atuantes no contato

Desgaste de aos de hastes

polidas de UB sob

deslizamento alternado em

borrachas HNBR. (DE LIMA,

W. B. et al. 2009)

Desgaste por deslizamento

de polmeros contra ao-liga.

(SILVA, L. V. et al. 2009)

ABM 2009

Belo Horizonte/MG

ABM 2009

Belo Horizonte/MG

- Avaliar o deslizamento alternado

de quatro aos em borrachas

HNBR.

- Avaliar o comportamento dos

sistemas tribolgicos PEEK Ao

AISI 4140 e PTFE Ao AISI 4140.

Contact sphere-plan polymer-

metal: theory x experiment.

(NASCIMENTO, I. V. et al.

2009)

COBEM 2009

Gramado/RS

- avaliar os valores tericos e

experimentais dos parmetros de

contato de Hertz atravs da

dimenso das indentaes feitas

em alguns polmeros com uma

esfera metlica e dos valores

tericos da mecnica do contato

de Hertz utilizando-se uma

planilha para essa finalidade.

8

Captulo 2Captulo 2Captulo 2Captulo 2

Reviso BibliogrficaReviso BibliogrficaReviso BibliogrficaReviso Bibliogrfica

Neste captulo so apresentados conceitos tericos que fundamentam o mtodo de ensaio proposto na presente tese. Inicialmente so abordadas definies de Tribologia, seguido da histria e de conceitos bsicos sobre a Mecnica do Contato. Na sequncia apresentada uma reviso sobre polmeros e tribologia aplicada aos mesmos e por fim

uma reviso sobre a relao vibrao-tribologia.

2.1 Tribologia Myer publicou um artigo em 1975 intitulado por Tribologia: Cincia em

Movimento, Quinn, em 1977, publicou, Tribologia e Halling em 1977, Tribologia: Cincia e Prtica. Todos esses artigos referem-se ao surgimento do termo Tribologia, eles mencionam que apesar da palavra ser relativamente nova, os aspectos relacionados a essa cincia j eram utilizados para ajudar o homem em seu triunfo tecnolgico, como por exemplo pelos romanos, quando estes usavam gordura animal para engraxar os eixos de seus carros de batalha.

Segundo esses autores, Tribologia a cincia e tecnologia das superfcies interagindo sob movimento relativo. O trabalho do grupo comandado pelo Dr H. P. Jost e de suas recomendaes incorporadas no relatrio Jost (1966) impulsionaram essa cincia.

O pensamento moderno define Tribologia como a cincia que estuda o atrito, o desgaste e a lubrificao de corpos que esto em contato sob movimento relativo [HUTCHINGS, 1992 e LUDEMA, 1996].

2.1.1 A importncia de ensaios em Tribologia Atrito e desgaste so originados por interaes microscpicas entre superfcies que

esto em contato mecnico e deslizam uma contra a outra. As respostas a essas interaes so o resultado dos materiais, das caractersticas geomtricas e topogrficas das superfcies e das condies globais sob as quais as superfcies so submetidas durante o deslizamento, ou seja, carregamento, temperatura, atmosfera, tipo de contato

9

etc. Todos os aspectos mecnicos, fsicos, qumicos e geomtricos das superfcies em contato e a atmosfera ao redor afetam as interaes superficiais e assim, tambm as caractersticas tribolgicas do sistema. Portanto, atrito e desgaste so caractersticas nicas dos sistemas tribolgicos em que so avaliados e no simplesmente parmetros dos materiais acessveis em handbooks. (BHUSHAN, 2001).

Bhushan (2001) mencionou a dificuldade de se modelar atrito e desgaste j que cada sistema tribolgico tem caractersticas nicas e so muitos os parmetros que interferem no contato, como mencionado acima. Alm disso, no simples correlacionar atrito e desgaste, por exemplo, baixo atrito no implica, necessariamente, em baixa taxa de desgaste. Um exemplo disto foi evidenciado por Lima da Silva et al., 2006 estudando pares PTFE-contra-ao.

Desta forma, como as propriedades tribolgicas no so parmetros dos materiais e sim do sistema, tribotestes (ensaios tribolgicos) so parte integral de ambos, o processo de desenvolvimento de tribomateriais (materiais aplicados a sistemas tribolgicos) e a seleo de materiais para aplicaes que envolvam atrito e desgaste.

2.2 Modelos da Mecnica do Contato No final do sculo XIX, Hertz introduziu a Mecnica do Contato de dois corpos

elsticos, quando pressionados, um contra outro. Nesse modelo pioneiro ele considerou as grandezas carga normal, as geometrias macroscpicas e as propriedades elsticas de dois slidos em contato para definir, no meio-espao elstico de cada um dos slidos, a distribuio da presso de contato na zona elasticamente afetada pelo contato (que, posteriormente, passaria a ser denominada zona Hertziana de contato), e a respectiva distribuio de tenses de cisalhamento atuante em cada um dos slidos elsticos em contato.

As hipteses simplificadoras de Hertz incluam (a) ausncia de atrito; (b) contato no-conforme macroscpico esttico; (c) materiais submetidos a um comportamento puramente elstico; (d) rea de contato pequena, comparada com a dimenso dos slidos em contato [JOHNSON, 1989].

O crescimento das reas cientficas nas Engenharias de Superfcie, Mecnica e de Materiais na segunda metade do Sc. XX introduziu novas variveis teoria do contato Hertziano. Entre elas, o atrito, o comportamento elstico e plstico e o carter

microscpico das superfcies em um contato elstico. Isso levou ao desenvolvimento do

10

segundo modelo importante da Mecnica do Contato, desenvolvido por Greenwood e Williamson, o chamado modelo GW da Mecnica do Contato, de 1966.

O modelo GW introduziu a varivel topografia das duas superfcies elsticas nominalmente planas, com mdulos de elasticidade constantes, submetidas ao atrito de deslizamento. Esse modelo mantinha a natureza elstica do contato como preconizado por HERTZ.

Em 1971, Johnson, Kendall e Roberts formularam um terceiro modelo que adicionava, aos anteriores, a varivel energia de superfcie atuando na rea de contato, e provocando deformaes nas duas superfcies. Esse modelo considerado adesivo e tem se mostrado aplicvel a slidos grandes, moles, com elevada energia de superfcie, enquanto, para slidos coloidais, duros, com baixas energias de superfcie tem sido utilizado o modelo DMT, publicado por Derjaguin, Muller e Toporov em 1975. A seguir, em 1980, Muller, Yushchenko, Derjaguin publicaram o modelo MYD, que continham as solues proporcionadas pelos modelos JKR e DMT (a descrio desses modelos apresentada no Anexo 1).

Todas as teorias descritas acima se baseiam nas seguintes suposies: (i) todas as deformaes so puramente elsticas, isto , a lei de Hooke vlida no sistema; (ii) os corpos so isotrpicos; (iii) submetidos a carga o modulo de Young e a razo de Poisson so constantes; (iv) a estrutura atmica dos corpos no considerada. Entretanto para slidos viscoelsticos a interpretao deve levar em considerao a dependncia do tempo.

Atualmente, Chau (2006) props um modelo que considera o contato microscpico entre um slido viscoelstico nominalmente plano (um polmero) e um ao inoxidvel, em que considera aspectos no-determinsticos em sua modelagem para apresentar o contato sob a forma de um mapa de presso e tempo de contato, dispensando, por exemplo, dados da topografia das superfcies.

2.2.1 Teoria de Hertz Quando dois corpos elsticos so impostos ao contato eles se tocaro em um ponto

ou ao longo de uma linha. Se forem submetidos a um carregamento mecnico definido, este ser distribudo atravs da rea de contato. Esta situao foi inicialmente introduzida por Heinrich Hertz em 1881, baseando-se nas seguintes suposies: (i) as superfcies so contnuas, polidas e no sofrem atrito; (ii) o tamanho da rea de contato

11

pequeno comparado ao tamanho dos corpos; (iii) Cada slido tem um meio-espao slido na vizinhana da zona de contato (BHUSHAN, 2001).

A teoria de Hertz pode ser aplicada a contatos esfricos, cilndricos e elipsoidais. A anlise Hertziana para uma esfera sobre um plano apresentada em vrios trabalhos publicados na rea da Mecnica do Contato (XU et al. 2007; WU e YOU, 2007; GRIERSON et al. 2005; BHUSHAN, 2001) e todos citam o livro de Johnson de 1985 como referncia.

Wu e You (2007) descrevem um contato elstico esfera sobre plano segundo a teoria de Hertz. Considerou-se que uma esfera de raio R pressionada contra uma superfcie plana por uma carga normal P, aps um deslocamento d a deformao elstica da superfcie em contato forma uma rea de contato circular de raio ao como mostrado na Figura 4. Com base na teoria de Hertz esse raio de contato dado por

*433

EPR

ao = (1)

Onde Ec* o mdulo do contato deduzidos da equao (2)

2

22

1

21 11

*

1EEEc

+

= (2)

A presso de contato, segundo a reviso de Bhushan (2001), dada semi-elipticamente pela equao (3)

{ } 21220 1)( arpxp = (3) onde a presso mxima p0 dadas pela equao (4)

20 23

a

Pppi

= (4)

Figura 4 Esquema de uma esfera pressionada contra uma superfcie plana, onde P a carga normal, d o deslocamento

12

2.2.2 Mecnica do Contato aplicada a Slidos Viscoelsticos (SV)

No estudo do contato de materiais perfeitamente elsticos o processo de carregamento e descarregamento reversvel e, portanto, os modelos JKR e DMT so aplicveis.

O contato de materiais viscoelsticos como polmeros difere daquele em dois fatores: (i) como resultado da dissipao viscoelstica, mais trabalho necessrio para separar as superfcies que o utilizado para unir as mesmas; (ii) a energia superficial aparente dependente da taxa em ambos, separao e unio (GREENWOOD e JOHNSON, 2006).

Lin et al. (2002) apud Attila Olh (2004) propuseram um mtodo para estudar o contato adesivo entre esferas quando apenas fora normal considerada. Eles consideraram um sistema (i) com corpos homogneos, isotrpicos e viscoelsticos, (ii) onde a zona coesiva muito menor que o raio de contato, e (iii) a velocidade do contato constante quando ele se move atravs da zona coesiva.

Greenwood e Johnson (2006) apresentaram um trabalho sobre a Mecnica do Contato de SV onde eles afirmaram que as foras adesivas fazem com que as superfcies saltem dentro do contato e assim mascare os dados de medida de deslocamento. Eles introduziram no sistema uma fora de contato senoidal modulada de baixa amplitude e alta freqncia (~100 Hz) que permitiu uma medida direta da rigidez (dP/dd, onde P a carga e d o deslocamento normal a superfcie). Eles observaram que os materiais viscoelsticos apresentaram comportamento diferente dos preditos para um contato JKR.

Chau (2006) analisou a dinmica do contato de um SV plano contra um ao inoxidvel sob uma perspectiva diferente das teorias do contato existentes. Nesse estudo ele apresentou um mapa de presso em funo do tempo onde considerou aspectos no-determinsticos que excluem dados de topografia superficial.

2.3 Consideraes sobre os polmeros Polmeros so materiais orgnicos ou inorgnicos, naturais ou sintticos, de alto

peso molecular, cuja estrutura molecular consiste na repetio de pequenas unidades, chamadas meros. O termo polmero vem do grego: poli = muitos, meros = unidades repetidas. Este termo descreve uma molcula composta de muitas partes idnticas, os meros. A grande molcula assim chamada macromolcula.

13

As palavras polmeros e plsticos so freqentemente adotadas como sinnimas, mas h uma distino. O polmero o material puro que resulta do processo de polimerizao e dentro de suas famlias incluem-se os elastmeros (borrachas), txteis, revestimentos e adesivos. Polmeros puros raramente so usados devido a suas caractersticas, por isso aditivos so aplicados a esses materiais e a partir da o termo plstico utilizado (CROWFORD, 1998; RAM, 1997).

2.3.1 Classificao Os polmeros so distribudos por classes de acordo com suas caractersticas. As

classes de interesse neste trabalho so apresentadas a seguir:

2.3.1.1 Termoplsticos As longas cadeias polimricas esto unidas por ligaes intermoleculares de Van

der Waals, que so consideradas fracas se comparadas s ligaes covalentes que compem as molculas. Quando o material aquecido, as foras intermoleculares so enfraquecidas e se tornam moles e flexveis, de forma que a altas temperaturas o material um fluido viscoso. Quando o material resfriado se solidifica novamente. O ciclo de amolecimento por aquecimento e solidificao por resfriamento pode ser repetido indefinidamente e esta a maior vantagem deste material. Entretanto, h uma desvantagem, suas propriedades so sensveis ao calor (CROWFORD, 1998).

2.3.1.2 Termofxos Um plstico termofixo produzido por uma reao qumica que tem dois estgios.

O primeiro estgio resulta na formao de longas cadeias moleculares similares aquelas apresentadas pelos termoplsticos, mas ainda capazes de mais reaes. O segundo estgio da reao (ligao cruzada das cadeias ou cross-linking) ocorre durante a moldagem, geralmente sob a ao de calor e presso. O moldado resultante ser rgido quando resfriado, mas uma estrutura em rede (reticulada) se estabelece dentro do material. Durante o segundo estgio as longas cadeias moleculares so interligadas por ligaes fortes que no permitem que o material seja amolecido novamente com a aplicao de calor. Quando excesso de calor aplicado a estes materiais eles carbonizam e degradam. Desta forma, este material insolvel, infusvel e no pode ser reprocessado.

As ligaes cruzadas ancoram as cadeias moleculares fazendo com que haja resistncia ao movimento rotacional e vibracional por isso estes materiais so

14

caracteristicamente rgidos e suas propriedades mecnicas no so sensveis ao calor. Fenol formaldedo (bakelite), epxi e polister insaturado so exemplos de termofixos (CROWFORD, 1998).

2.3.1.3 Elastmeros As longas cadeias moleculares so enroladas e torcidas em uma maneira aleatria e

tm flexibilidade suficiente para permitir que o material sofra grandes deformaes. No estado verde as borrachas no seriam capazes de se recuperar totalmente de grandes deformaes porque as molculas teriam sofrido deslizamentos irreversveis umas em relao s outras. Para evitar esses deslizamentos, as molculas so ancoradas por um processo de cura (vulcanizao), que torna a rede reticulada, porm em poucos pontos, o que permite que a rede tenha liberdade de movimentao (rede frouxa). Assim as molculas so ligadas similarmente ao que acontece com os termofixos. Estas ligaes no diminuem a disposio aleatria das molculas, nem sua natureza enrolada e torcida de forma que quando a borracha deformada as molculas esticam e desenrolam, mas no deslizam. Assim quando a fora aplicada removida a borracha volta a sua forma original. (CROWFORD, 1998; ASHBY e JONES, 1999).

Borrachas vulcanizadas possuem uma faixa de propriedades atraentes tais como resilincia, resistncia a leos, graxas e oznio, flexibilidade a baixas temperaturas e resistncia a muitos cidos e bases. Entretanto elas necessitam de processamento cuidadoso e consomem quantidade de energia considervel para facilitar sua moldagem e vulcanizao. Estas desvantagens levam ao desenvolvimento de elastmeros termoplsticos. Estes so materiais que exibem as caractersticas fsicas desejveis da borrachas, mas com a facilidade de processamento dos termoplsticos. Poliuretano e polister so exemplos de elastmeros termoplsticos.

2.3.2 Comportamento viscoelstico de polmeros Muitos materiais polimricos exibem as reaes combinadas de ambos os estados

lquido e slido, essa caracterstica conhecida como viscoelasticidade, ou seja, a combinao da viscosidade de um lquido e a elasticidade de um slido (RAM, 1997).

Dizer que um material tem comportamento viscoelstico significa que quantidades como mdulo, resistncia, ductilidade e coeficiente de atrito so sensveis taxa de deformao, tempo, histria de carregamento, temperatura, etc (CROWFORD, 1998).

Quando um componente sujeito a uma fora uniaxial, a tenso de engenharia, , no material a fora aplicada dividido pela rea da seo transversal original. A

15

deformao, , no material a extenso (ou reduo no comprimento) dividida pelo comprimento original. Em um material perfeitamente elstico, a Lei de Hooke define

que a tenso, , diretamente proporcional a deformao, , e a relao entre tenso e

deformao escrita como

= cte (5)

onde a constante se refere ao mdulo de elasticidade do material.

Em um fluido perfeitamente viscoso (Newtoniano) a tenso de cisalhamento, ,

diretamente proporcional a taxa de deformao (dy/dt ou . ) e a relao descrita na equao (6)

.

= cte (6) onde a constante neste caso se refere a viscosidade do fluido. Em um material viscoelstico a tenso uma funo da deformao e do tempo e

descrita por uma equao da forma

)(. tf = (7) Esta equao a base da viscoelasticidade linear e simplesmente indica que em um

ensaio de trao, por exemplo, para um valor fixo de tempo, a tenso ser diretamente proporcional a deformao. Os diferentes tipos de respostas so mostrados

esquematicamente na Figura 5 (CROWFORD, 1998).

16

Figura 5 Comportamento tenso-deformao em materiais elsticos e viscoelsticos em dois valores de tempo, t1 e t2 (baseado em CROWFORD, 1998)

Os fatores mais caractersticos de materiais viscoelsticos so que eles exibem uma resposta de deformao dependente do tempo quando submetidos a uma tenso constante (fluncia) e uma resposta de tenso dependente do tempo para uma deformao constante (relaxao). Quando uma tenso aplicada removida o material tem a habilidade de recuperar-se lentamente com um perodo de tempo. Estes efeitos podem ser observados tambm em metais, porm a diferena que em polmeros eles ocorrem temperatura ambiente e em metais ocorrem apenas a altas temperaturas (CROWFORD, 1998).

2.3.2.1 Carregamento dinmico de polmeros interessante considerar a relao tenso versus deformao quando polmeros so

submetidos a carregamentos dinmicos. Este provavelmente o tipo mais comum de carregamento que ocorre na prtica.

Quando uma tenso variando senoidalmente aplicada em um material ela pode ser representada por um vetor como mostrado na Figura 6. Assim a tenso em algum momento no tempo dada por

t sin0= (8) a velocidade angular do vetor (=2pi=2pi/T, onde a freqncia em Hertz e T

o perodo de oscilao senoidal) (CROWFORD, 1998).

17

Se o material submetido ao carregamento senoidal elstico ento haver uma variao de deformao senoidal em fase com a tenso, ou seja,

t sin0= (9)

Figura 6 Variao senoidal de tenso e deformao em material viscoelstico Entretanto, para um material viscoelstico a deformao ocorrer em defasagem

com a tenso como exemplificado na Figura 6. A deformao dada por

)sin(0 ft = (10) onde f a defasagem.

Escrevendo as equaes de forma que mostre a tenso levando deformao:

t sin0= (11) )sin(0 ft += (12)

A expanso da equao (12) referente a tenso leva a

ff tt sincoscossin 00 += (13) Desta forma a tenso pode ter duas componentes:

(a) 0cos que est em fase com a deformao (b) 0sin que est 90o fora de fase com a deformao

Isto leva a definio de dois mdulos dinmicos, E e E:

(a) E = (0cosf)/0 em fase com a deformao (b) E = (0sinf)/0 90o fora de fase com a deformao

Os dois mdulos podem ser representados em um diagrama conforme a Figura 7. Deste diagrama possvel extrair o modulo complexo, E*, onde

18

"'*22

21 iEEEEE +=+= 1=i (14)

E1

E2

.

E*

Figura 7 Diagrama mostrando mdulo complexo (E*) relativo ao mdulo de perda (E) e mdulo de armazenamento (E)

Os mdulos so ento definidos como:

E= mdulo real ou mdulo de armazenamento E = mdulo imaginrio ou mdulo de perda A relao entre E e E fornece o ngulo de fase,

'

"

tanEE

= (15)

Na anlise mecnica dinmica de polmeros, o material sujeito a variaes senoidais de tenso e a deformao registrada, ento E, E e so determinados. Na Figura 8 ilustrada uma curva clssica destes parmetros. Em baixas freqncias o polmero se comporta como borrachoso e apresenta baixo mdulo de armazenamento (E tipicamente da ordem de 0,1 MN/m2). J a altas freqncias o material comporta-se como um slido vtreo com alto mdulo E (da ordem de 103 MN/m2). O mdulo de perda, E, ser zero a baixas e altas freqncias mas atingir um mximo prximo da

regio onde E est aumentando mais rapidamente. O fator de perda, , tambm apresenta um mximo na regio viscoelstica, mas isto ocorrer com uma menor

freqncia que o pico da curva E (CROWFORD, 1998). Hugh et al (2006) desenvolveram um estudo comparando resultados sobre o

comportamento dinmico de resinas epxi obtidos utilizando o DMA (baixas frequncias, 0,01 a 100 Hz) com os obtido por medidas ultrassnicas (alta freqncia, kHz/MHz). Eles concluram que as medidas ultrassnicas podem ser teis para descrever o comportamento dinmico-mecnico dos materiais.

E

E

19

Figura 8 Variao clssica de E1, E2 e tan para um material viscoelstico

2.4 Tribologia de Polmeros

O termo polmero utilizado para descrever uma grande faixa de materiais. Porm, apenas poucos polmeros apresentam propriedades tribolgicas notveis, portanto, muitas pesquisas so voltadas para esse numero relativamente limitado de polmeros (Tabela 2). As caractersticas tribolgicas desses polmeros favorecem sua aplicao em vrios ramos das industrias. Tabela 2 Caractersticas tribolgicas de polmeros tpicos (STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996)

POLMEROS CARACTERSTICAS TRIBOLGICAS

Politetrafluoretileno (PTFE) Baixo atrito, mas alta taxa de desgaste. Alto limite de

temperatura operacional.

Nylon Coeficiente de atrito moderado e baixa taxa de desgaste.

Desgaste acelerado por gua. Relativamente baixo limite

de temperatura.

Polieter ter cetona (PEEK) Alto limite de temperatura operacional. Resistncia a

muitos reagentes qumicos. Adequado para altas tenses

de contato. Alto coeficiente de atrito quando na forma

pura.

Polietileno de Ultra alto Peso

Molecular (UHMWPE)

Alta resistncia ao desgaste em presena de gua.

Moderado coeficiente de atrito. Boa resistncia ao

desgaste abrasivo. Relativamente baixo limite de

temperatura.

Poliuretanos Boa resistncia ao desgaste abrasivo e ao desgaste sob

rolamento. Relativamente alto coeficiente de atrito sob

20

deslizamento.

Poliamidas Polmeros de alto desempenho, adequados para altas

tenses de contato e temperaturas operacionais

Resinas epoxies e fenlicas Usada como ligantes em materiais compsitos

*alto limite de temperatura operacional refere-se a temperaturas acima de 150oC.

Polmeros, ao contrrio de metais e cermicas, exibem baixos coeficientes de atrito, com valores, comumente, entre 0,1 e 0,5. Desta forma, segundo HUTCHINGS (1992), eles so utilizados em aplicaes tribolgicas no lubrificadas, geralmente deslizando contra um contracorpo mais duro.

2.4.1 Desgaste de Polmeros Em geral, processos de atrito e desgaste envolvem interaes complexas entre os

materiais em contato que dependem no apenas das propriedades dos materiais, mas tambm das condies de deslizamento (ou rolamento).

De acordo com Boden e Tabor apud Zum Garh desgaste coesivo e interfacial so as classes gerais de processos de desgaste de polmeros. O desgaste coesivo abrange os mecanismos de abraso e fadiga, enquanto o desgaste interfacial resulta da dissipao de energia atravs de uma zona adjacente a zona de contato dos materiais (Figura 9).

Figura 9 Duas classes gerais de mecanismos de desgaste de polmeros

Se o contracorpo liso o desgaste resulta da adeso entre as superfcies, e envolve deformao apenas na camada superficial do polmero. Por outro lado, se o contracorpo rugoso ento suas asperezas causaro deformao no polmero em certa profundidade e o desgaste resulta da abraso associada com a deformao plstica do polmero ou do crescimento de trincas por fadiga na regio de deformao (HUTCHINGS, 1992).

O nvel de rugosidade que resulta na transio de mecanismo de desgaste de interfacial para coesivo depende da natureza do polmero, mas corresponde a valores de

21

Ra entre 0,01 e 1 m. Esta transio pode levar a um valor mnimo de taxa de desgaste para certa rugosidade superficial, como ilustrado na Figura 10 para UHMWPE deslizando contra contracorpos de ao inoxidvel com diferentes rugosidades (HUTCHINGS, 1992).

Figura 10 Taxa de desgaste do Polietileno de Ultra-alto peso molecular (UHMWPE) deslizando contra ao, em funo da rugosidade da superfcie do ao (HUTCHINGS,

1992)

2.4.1.1 Desgaste Coesivo O desgaste coesivo resulta da deformao superficial e subsuperficial do material,

originada pela passagem de protuberncias do contracorpo sobre a superfcie do polmero. A deformao resultante pode ser plstica ou elstica. No primeiro caso o mecanismo de desgaste chamado de abraso, enquanto no segundo associado fadiga. Hutchings (1992) apresenta um esquema de como as propores relativas de abraso e fadiga dependem da rugosidade e da natureza do polmero. Em elastmeros, por exemplo, com baixo mdulo de elasticidade, a deformao no contato ser quase totalmente elstica e, portanto, o mecanismo de fadiga predominar. Polmeros com alto mdulo tais como termofixos, mostram aprecivel deformao plstica devido ao contato de asperezas e sofrem desgaste por abraso.

2.4.1.2 Desgaste Interfacial No desgaste interfacial, material removido atravs de processos ocorrendo

prximo ou na superfcie do polmero. O mais importante de tais processos o desgaste

Rugosidade do contracorpo, Ra [m]

Tax

a de

de

sgas

te,

k [10

-7

mm

3 (N

m)-1 ]

22

adesivo. Este ocorre apenas quando o contracorpo liso e envolve a transferncia de material para o contracorpo mais duro e subseqente remoo como partcula de desgaste (HUTCHINGS, 1992).

Filme transferido A formao de filme transferido um fator caracterstico de desgaste adesivo onde

material transferido de uma superfcie para outra antes de ser liberado como partcula de desgaste. Isto distingue o desgaste adesivo de muitos outros mecanismos de desgaste (STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996).

Uma caracterstica da tribologia polmero-metal a criao de filme transferido do polmero sobre o contracorpo metlico duro. Em muitos polmeros a resistncia da juno adesiva formada entre o polmero e o metal comparvel com a resistncia interna do prprio polmero. Desta forma, o cisalhamento acompanhado pelo destacamento de fragmentos de polmeros que se fixam sobre o contracorpo metlico. Quaglini et al. (2009) mencionam que a criao e crescimento destes filmes transferidos geralmente seguida de uma diminuio no atrito.

O polmero que apresenta um exemplo clssico de formao de filme transferido o PTFE. Esta caracterstica foi observada por diversos pesquisadores que estudaram o atrito e o desgaste deste material contra ao dentre eles Lima da Silva et al. (2006), Sawyer et al. (2003) e Khedkar et al. (2002). Segundo Stackowiak e Batchelor (1996) a causa da adeso de filmes devido, possivelmente, a uma reao qumica entre o flor e o carbono do PTFE e a superfcie metlica oposta.

O desgaste de polmeros ocorre por formao de filmes transferidos finos que asseguram baixos coeficientes de atrito. Lubrificantes slidos tambm funcionam pela formao de finos filmes transferidos sobre as superfcies de contato. Estas camadas podem ser transferidas de uma superfcie para outra, o que til quando contatos de difcil acesso precisam ser lubrificados (STACHOWIAK e BATCHELOR, 1996).

Reaes Triboqumicas A formao de produtos de reaes triboqumicas um fenmeno bem conhecido

quando se fala em contatos de deslizamento. Zum Gahr (1987) menciona que este processo classificado como moderado ou severo. O desgaste severo devido a cont

Desgaste de polímero Por Contato de Deslizamento

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