Desgaste Superficial, Notas de estudo de Cultura

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Mecânica dos Sólidos C – MS26NB Felipe Oliveira Basso – 979929 Guilherme Mafioletti Debona - 979945 Jean Eduardo Cararo - 609935 Rodrigo Luiz Barbosa - 1065971 UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Existem três maneiras segundo as quais peças ou sistemas podem falhar: * Obsolescência: arbitrária * Quebra: pode ser permanente * Desgaste Acentuado: processo gradual e em alguns casos reparável (modo final de falha)  Pequeno volume de material perdido implica em todo um sistema inoperante  Dificulade: Monitorar e antecipar os efeitos do desgaste antes da ocorrência da falha, pois muitas vezes as superfícies danificadas não estão visíveis (sem a desmontagem dos componentes) UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Curiosidade: Um estudo de 1977, patrocinado pela ASME, estimou que o custo de energia para os Estados Unidos associado com a substituição de equipamentos que falharam por desgaste correspondiam a 1,3% de todo o consumo de energia do país. Nessa época, isso era equivalente a cerca de 160 milhões de barris de petróleo por ano.  Ou seja: Custo elevado para a economia nacional UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Superfícies sólidas submetidas ao desgaste são na maioria:  Ou também (minoria):  Grau de rugosidade x Processo de acabamento Fundidas Forjadas Usinadas Retificadas UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica X  Área aparente de contato – facilmente calculada por geometria  Área real de contato – afetada pelas asperezas presentes (difícil determina-lá com precisão) Área APARENTE de contato - Aa Área REAL de contato - Ar UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Contato real entre duas superfícies  Contato inicial -> pontas das asperezas de uma das peças com pontos da outra peça  Área de contato inicial -> muito pequena  Tensão resultantes -> muito altas (ultrapassando o limite de escoamento em compressão do material) UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  A medida que a área de contato é desgastada, as pontas de aperezas escoam e se alargam  Tensão média -> menor, sustentável  Áreal real de contato: 𝐴𝑟 = 𝐹 3∗𝑆𝑦𝑐  Onde: ◦ 𝐹 = Força externa normal às superfícies em contato ◦ 𝑆𝑦𝑐 = Limite de escoamento em compressão UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  𝑓 = 𝑆𝑢𝑠 ∗ 𝐴𝑟 + 𝑃 (2)  Onde: ◦ 𝑆𝑢𝑠 = Resistênia ao cisalhamento do material menos resistente ◦ 𝑃 = força de sulcamento  A força de sulcamento se deve a partículas livres que penetram as superfícies, e é desprezível quando comparada à força de cisalhamento -> 𝑃 ≅ 0 UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Comparando as equações anteriores temos:  𝜇 = 𝑓 𝐹 = 𝑆𝑢𝑠 3∗𝑆𝑦𝑐 (3)  Sendo assim -> 𝜇 = 𝑓 𝑆𝑢𝑠, 𝑆𝑦𝑐  O limite de resistência no cisalhamento pode ser estimado em função do limite de resistência a tração do material: ◦ Aços: 𝑆𝑢𝑠 ≈ 0,8 ∗ 𝑆𝑢𝑡 (4) ◦ Outros metais Dúcteis: 𝑆𝑢𝑠 = 0,75 ∗ 𝑆𝑢𝑡 (5) UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  O limite de escoamento na compressão varia em relação ao limite de resistência à tração conforme o material e a liga sob uma banda de: 0,5 ∗ 𝑆𝑢𝑡< 𝑆𝑦𝑐 < 0,9 ∗ 𝑆𝑢𝑡 (6)  Reorganizando as equções (3), (4), (5) e (6):  0,28 < 𝜇 < 0,53 -> o que é aproximadamente a faixa de valores usual de 𝜇 para metais secos expostos ao ar UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Superfícies (limpas) pressionadas uma contra a outra -> algumas asperezas em contato tenderão a aderir umas às outras (devido a uma força de atração atômica superfícial)  Escorregamento entre a superfícies -> adesões quebradas, podendo ser: ◦ (1) Ao longo da interface original ◦ (2) Em um novo plano através do material do pico de aspereza UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  No caso (2), um pedaço da peça A é transferida à peça B, causando rompimento superficial e danos para a peça  Algumas vezes, partículas de um dos materiais será quebrada e permanecerá livre como escombros na interface, causando: ◦ Riscos superficiais ◦ Sulcos (em ambas as peças) UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Este tipo de dano é por vezes chamado de escoreamento (scoring) ou scuffing (dentes de engrenagens -> rolamento + deslizamento) da superfície Falha por desgaste adesivo em um eixo pela ausência da lubrificação adequada UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Rabinowicz cria o diagrama de compatibilidade para pares de metais baseado em diagramas de fases binários Diagrama de compatibilidade de Rabinowicz UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Metalurgicamente compatíveis: não aceitáveis para o contato com deslizamento  Parcialmente compatíveis/incompatíveis: certo grau de aceitação para deslizamento  Metalurgicamente incompatíveis: melhores índices de resistência ao desgaste adesivo UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  (2) Contaminantes ◦ A adesão das asperezas só pode ocorrer se o material estiver limpo e livre de contaminantes ◦ Podem ter a forma de óxidos, óleos da pela humana impregnados no manuseio, umidade atmosférica, etc ◦ Também icluem revestimentos e lubrificantes introduzidos na interface -> é a principal função dos lubrificantes (evitar tais adesões) -> reduz o atrito e os danos à superfície UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  (5) Escororiação (Galling) ◦ Soldagem a frio incompleta (normalmente por contaminação) ◦ Porções da superfície se aderem causando transferência de grandes quantidades de material ◦ Visível a olho nu ◦ Geralmente arruina a superfície em uma só passada ◦ De maneira geral, um material não deve ser levado a contato consigo mesmo (Exceção: aço endurecido sobre aço endurecido) UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Em geral, o desgaste é inversamente proporcional a dureza  Taxa de desgate pode ser determinada pelo ensaio de um pino contra um disco girante sob condições controladas de carregamento e lubrificação, sobre uma distância de deslizamento conhecida e medindo-se a perda de volume UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  O volume de desgaste é independente da velocidade de deslizamento, e é dado por: 𝑉 = 𝐾 ∗ 𝐹 ∗ 𝑙 𝐻  Onde: ◦ 𝑉 = Volume de desgaste do material mais mole ◦ 𝐹 = Força normal ◦ 𝑙 = Comprimento de deslizamento ◦ 𝐻 = Dureza à penetração ◦ 𝐾 = Coeficiente de desgaste -> adimensional, é função dos materiais utilizados e da condição de lubrificação UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  A abrasão pode ocorrer de dois modos distintos, denominados processos de desgaste abrasivo a dois corpos ou três corpos. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Desgaste Abrasivo  Abrasão não-controlada - retroescavadeira;  Abrasão controlada – decapagem em tambor rotativo. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Desgaste Abrasivo  Os dois requisitos para um material abrasivo são dureza e afiação;  As classes de materiais que melhor atingem esses dos quesitos são cerâmicas e não- metais com alta dureza. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Materiais Abrasivos  Corrosão Atmosférica: A corrosão atmosférica acontece quando a superfície do material está exposta ao ar e seus poluentes. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Corrosão Galvânica: Ocorre quando um metal está conectado eletricamente a outro metal e ambos estão no mesmo eletrólito. Um dos metais vai ser corroído devido a diferença de potencial de corrosão, sendo o outro protegido. Podemos citar como exemplo o zinco e o ferro, que quando conectados um ao outro o zinco vai ser degradado mais rapidamente por estar transferindo elétrons para o ferro. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Corrosão por frestas: É um ataque localizado e ocorre em recessos, em cavidades, frestas e outros espaços onde se acumula um agente corrosivo. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Ligas metálicas, por outro lado, formam um filme de óxido descontinuo e poroso, que facilmente se lasca, expondo mais substrato. A oxidação continuara ate que todo o ferro seja convertido em óxido. Temperaturas elevadas aumentam bastante a taxa de todas as reações químicas. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  O desgaste corrosivo leva a um rompimento da camada da superfície, devido ao contato deslizante ou por rolamento entre dois corpos. Esse contato de superfície pode agir quebrando o filme de óxidos, expondo uma nova camada do material aos elementos reativos, aumentando assim a taxa de corrosão.  Se os produtos da reação química forem duros e frágeis (como ocorre nos óxidos), as lascas dessa camada podem se tornar partículas livres na interface e contribuir para outras formas de desgaste, como a abrasão. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  O processo de corrosão pode ocorrer simultaneamente as condições de desgaste por adesão ou por abrasão. Se o produto da corrosão é duro e abrasivo, partículas provenientes do processo corrosivo que possam existir entre as superfícies em contato, acelerarão o desgaste abrasivo.  Por outro lado, em alguns casos, principalmente quando o processo dominante é o desgaste por adesão, são utilizados produtos corrosivos, como fosfatos, sulfetos e cloretos metálicos que formam um filme macio proveniente da ação corrosiva, com baixos volumes de desgaste e com boas características lubrificantes (baixo atrito, bom acabamento superficial). UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  A corrosão por fadiga é a ruptura com aplicação de tensão cíclica em presença de um meio corrosivo. Neste processo um material diminui a sua resistência à fadiga em presença de um meio corrosivo.  Há uma série de casos típicos de ocorrência de corrosão-fadiga como os que  Cabos de aço submarinos;  Eixos de hélices de barcos;  Tubos de evaporadores;  Caldeiras;  Componentes de turbinas, motores e bombas;  Tubulações transportadoras de líquidos corrosivos. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  O fenômeno de corrosão por fadiga pode estar associado tanto quanto à fadiga mecânica quanto à térmica. A corrosão atua aumentando a região de fratura. A fadiga térmica, normalmente a altas temperaturas, a componente de oxidação é significativo, devido a sua alta cinética que gera grande quantidade de óxido a cada ciclo de fadiga. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Corrosão por fadiga Ag limite de fadiga corrosão-fadiga Figura: Curvas de Wôhler para Metais: a) com limite de fadiga, b) sem limite de fadiga c) em corrosão — fadiga UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Em superfícies em contato com rolamento surgem tensões de contato, segundo Herz, as quais produzem tensões de cisalhamento cujo valor máximo ocorre logo abaixo da superfície.  Existem muitas aplicações dessa condição de modo de falha, como em rolamentos de esferas ou rolos, mancais de rolamento, cilindros de laminação e no contato entre os dentes de engrenagens retas e helicoidais. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  As tensões introduzidas nos materiais em contato em uma situação de rolamento são altamente dependentes da geometria da superfície em contato, bem como o carregamento e das propriedades do material.  Com o movimento de rolamento, a zona de contato desloca-se, de modo que a tensão de cisalhamento varia de zero a um valor máximo e volta a zero, produzindo tensões cíclicas que podem levar a uma falha por fadiga do material. Abaixo da superfície pode se formar uma trinca que se propaga devido ao carregamento cíclico podendo chegar à superfície lascando-a e fazendo surgir uma partícula superficial macroscópica com a correspondente formação de uma cavidade. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Fadiga Superficial UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Há de se reconhecer duas geometrias de interesse pratico, são a esfera contra esfera e cilindro contra cilindro. Em todos os casos os raios de curvatura das superfícies em contato são fatores significativos.  Distribuição de tensões estáticas no contato entre esferas. A pressão na região de contato cria um estado triplo de tensões no material. As três tensões aplicadas sx, sy e sz são de compressão e são máximas na superfície da esfera, no centro da região Elas diminuem rapidamente e não linearmente com a profundidade e a distancia do eixo de contato. UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Fadiga Superficial - Esfera contra esfera 1 0,=0, = Pu Atento] a | Ram + val +) dual +a UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica Fadiga Superficial - Cilindro contra cilindro profundidade normalizada 7 /a UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica   Existe, ainda, alguma discordância entre especialistas com relação ao mecanismo de falha real que resulta em Crateração e Lascamento nas superfícies;  Há possibilidade de se ter uma tensão de cisalhamento máxima na subsuperfícies (em rolamento puro); UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica A figura seguinte mostra trincas tanto superficiais como na subsuperfície em um cilindro de aço cementado.  A pressão do fluido gera tensões de tração na ponta da trinca, causando seu rápido crescimento da trinca e o consequente surgimento de uma cratera; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Lubrificantes de alta viscosidade não eliminaram o contato metal-metal, mas retardaram a falha por crateração, indicando que o fluido tem que conseguir entrar na trinca rapidamente para causar os danos; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica 1. Não usar óleo; 2. Aumentar a viscosidade do lubrificante; 3. Polir as superfícies; 4. Aumentar a dureza da superfície; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Pode atuar na superfície quando uma peça do contato é menor axialmente que a outra; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  As bordas do cilindro menor geram uma concentração de tensão na linha de contato com o outro cilindro, assim a crateração e o lascamento ocorrerão preferencialmente nessa região; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica (b) Cilindro abaulado - Se o carregamento de contato puder ser previsto, o raio de abaulamento pode ser dimensionado para propiciar uma distribuição de tensão uniforme axialmente na região de contato devido as deformações dos rolos; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica   Littman considera a OPS mais uma forma de propagação de trincas do que de sua origem;  Uma vez presente e se orientada na direção para a captura do óleo, a trinca se propagará até falhar; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Se refere à situação na qual as trincas de fadiga estão a uma profundidade pequena e se estendem por uma grande área;  Superfícies ásperas intensificam a esfoliação se as asperezas forem maiores que a espessura do filme lubrificante; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Chamada de esmagamento da casca, ocorre apenas em superfícies que foram tratadas termoquimicamente, e é mais provável que ocorra se a camada tratada for tão fina que as tensões na subsuperfície se estendem até o material do núcleo; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Para se estimar a resistência à fadiga superficial, o material é rodado sob condições de carregamento controladas e o número de ciclos até a ocorrência de falha é anotado e relatado junto com outros fatores do carregamento; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  Essa resistência “virtual” pode ser comparada ao pico da magnitude das tensões de compressão em outras aplicações que tenham fatores de carregamento similares; UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica  A resistência à fadiga superficial possui apenas uma relação indireta com as tensões reais que possam estar presentes no corpo de prova e na peça em serviço solicitada, já que as equações de Hertz só valem para carregamentos estáticos: UTFPR - Pato Branco Engenharia Mecânica