Engenharia de Superfícies IUNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

INTRODUÇÃO

CM3ESU1 – ENGENHARIA DE SUPERFÍCIE(03 Créditos - Eletiva)2° Semestre de 2017

Prof. Júlio César Giubilei Milan

TRIBOLOGIA

Engenharia de Superfícies I

O QUE É TRIBOLOGIA?

Engenharia de Superfícies I

A palavra TRIBOLOGIA vem do grego tribos τριβοζ que signifca ‘fricção’ ou ‘atrito’, “a ciência do atrito”. Em linguagem popular equivale a Ciência do atrito e desgaste ou lubrifcação.

Foi cunhada por um comitê do governo (UK), em 1966, e então defnida formalmente, na ocasião, como “a ciência e tecnologia de superfícies em interação em movimento relativo”.

Engenharia de Superfícies I

TRIBOLOGIA “é a arte de aplicar análise operacional a problemas de grande importância econômica, ou seja, confabilidade, manutenção e desgaste de equipamentos técnicos desde naves espaciais até eletrodomésticos”.

Engenharia de Superfícies I

A TRIBOLOGIA tem um campo de pesquisa amplo e multidisciplinar. A pesquisa em tribologia visa:

• Reduzir desgaste, aumentar vida útil e confabilidade de sistemas mecânicos e mecatrônicos.

• Controlar (ou otimizar) o atrito.

Engenharia de Superfícies I

O QUE É DESGASTE?

Engenharia de Superfícies I

Definições:

DESGASTE

• Perda de material de uma superfície, transferência de material de uma superfície para outra ou movimento de material em uma única superfície.

• Perda progressiva de substância de uma superfície operacional de um corpo que ocorre como resultado de um movimento relativo na superfície.

Definições:

Uma defnição mais simples:

• Dano a uma superfície sólida, geralmente envolvendo perda progressiva de material, devido a movimento relativo entre a superfície e uma(s) substância(s) de contato.

Esta defnição inclui:

1.Degradação por deslocamento de material em uma superfície (alterações na topografa com ou sem perda de material) bem como o caso mais usual de remoção de material;

2.Os processos de desgaste comuns em máquinas onde uma superfície desliza ou rola contra outra, com ou sem a presença de um lubrifcante aplicado intencionalmente;

Definições:

Esta defnição inclui:

3. Os tipos mais específcos de desgaste que ocorrem quando uma superfície sofre abrasão por partículas duras se movendo contra ela, ou é erodida por partículas sólidas ou um fuxo líquido atingindo esta superfície ou pelo colapso de bolhas de cavitação em um líquido.

Definições:

Desg

aste

Atr

ito

Lu

bri

fcação

TRIBOLOGIA

Tribologia

• Wear;

• Journal of Tribology;

• Tribology Transactions of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers;

• Tribology International.

• Todos com acesso pelo portal da Capes dentro da UDESC.

www.periodicos.capes.gov.br

‘Journals’ e Periódicos

Histórico

A palavra tribologia é nova, mas atrito, desgaste e lubrifcação têm sido estudados há muito tempo.

Tribologia – 1965 (Tribology – How a word was coined 40 years ago)

Tribologia

Era paleolítica – atrito entre gravetos para gerar fogo.6000 A.C. – primeiro produto de óleo cru (betume).3500 A.C. – uso de rodas para reduzir atrito.2400 A.C. – transporte de um colosso egípcio.

Tribologia - Histórico

Tribologia - Histórico

172 escravosEstátua com cerca de 600 KN (60.000 Kgf)

Cada homem exerce uma força de 800 N (80 Kgf)

µ = 0,23

Milhares de anos A.C. – túmulo no Egito fornece evidências do uso de lubrifcantes. Um ‘carro romano’ encontrado neste túmulo um lubrifcante a base de gordura animal nos mancais das rodas.

Tribologia - Histórico

1100 A.C. – transporte de um colosso assírio.

Tribologia - Histórico

Leonardo DA VINCI (1452-1519)

• Se envolveu com elementos de máquinas, atrito e desgaste;

• Mediu as forças de atrito de corpos deslizando em planos horizontais e inclinados;

• Encontrou que Fat=f(N) é independe da área de contato;

• Distinguiu atrito de rolamento de atrito de deslizamento;

• Verifcou a infuência da lubrifcação em reduzir atrito e desgaste;

• µ = Fat/N

Tribologia - Histórico

Guillaume AMONTONS (1663-1705)

• Confrmou o trabalho de da Vinci e que Fat depende de N mas não dá área de contato;

• Ambos encontraram valores de 1/3 e 1/4, respectivamente. Independente do material;

Tribologia - Histórico

Robert HOOK (1680) • Leis e relações de atrito de rolamento;

Leonar EULER (1707-1783)• Defne o símbolo µ como coefciente de atrito;

Isac NEWTON (1687)• Defne viscosidade como atrito interno de um

meio fuido;

Charles-Augustin COULOMB (1736-1806)• 3ª lei de atrito

HERTZ (1857-1894) BOWDEN (1903-1968)

Tribologia - Histórico

Estudo científco de desgaste só se desenvolveu após a metade do século XX.

A revolução industrial (1750-1850) – reconhecida como o período de rápido desenvolvimento de maquinário de produção.

O uso da energia a vapor e do subsequente desenvolvimento das ferrovias (década de 1830), automóveis (início dos anos 1900) e das aeronaves (anos 1940) levou a necessidade de componentes mais confáveis. Desde o início do século XX devido ao grande crescimento industrial houve demanda por melhorias no desempenho tribológico.

Tribologia - Histórico

• Perdas econômicas devido atrito atingem cerca de 1 a 2,5 % do PIB de países industrializados;

• PIB-Brasil 2014 - US$ 540 bilhões (US$ 5,4 bilhões);

• Estudos recentes apontam 4,5 % do PIB na Alemanha;

• Segundo Hutchings (1992) 1 % do PIB poderia ser economizado com investimento em pesquisa;

• Nos EUA, foi estimado que 11% da energia anual total pode ser economizada nas 4 principais áreas de transporte, maquinaria, geração de energia e processos industriais através de progressos na tribologia.

Tribologia - Importância Econômica

Tribologia - Importância Econômica

• Nos EUA – perda de 4% do PIB pelo desconhecimento em tribologia;

• Cerca de 1/3 dos recursos mundiais de energia em uso, apresentam alguma relação com atrito;

• Melhorias tribológicas em carros podem economizar 18,6% da energia anual consumida pelos EUA (US$14,3 bilhões);

• O custo de desgaste para um avião (marinha dos EUA) é de cerca de US$243,00 por hora de vôo.

Tribologia - Importância Econômica

• Ali Erdermir (ERDEMIR, 2009) em palestra convidada apresentada no 64 Congresso anual da ABM afirmou que os custos de desgaste e atrito e desgaste nos Estados Unidos da América perfazem a impressionante cifra de meio trilhão de dólares / ano. Com dados de 2008 isto significa um terçodo PIB brasileiro. Ainda para 2008, apenas para o Brasil, teríamos desperdícios de 29 a 174 bilhões deReais/ano e economias possíveis entre 5,8 e 34,8 bilhões de Reais.

(Hutchings, 1992)

Tribologia - Importância Econômica

O propósito de pesquisa em tribologia a minimização e eliminação de perdas resultantes de atrito e desgaste em todos os níveis de tecnologia onde o atrito de superfícies está envolvido.

Pesquisa em tribologia leva a uma maior efciência de plantas industriais, melhor desempenho, menos quebras e economia signifcativa.

Tribologia - Importância Prática

Tribologia não é importante apenas na indústria pesada, também afeta nosso dia a dia:• Escrita,• Barbear,• Caminhar,• Condução,• Nos esportes - esqui,

- tecidos (atrito com o corpo),• Condicionador de cabelo (lubrifcar os fos);• Corpo humano - juntas necessitam de

lubrifcação;- cremes para pele – reduzir atrito;- saliva

Tribologia - Importância Prática

Locais onde o atrito é indesejável.

• Em motores;• Em mancais;• Em rolamentos;• Em transmissões;• Nas bases dos esquis e snowboards;• Quando você está tentando mover uma

caixa, empurrando-a sobre o chão;• Etc.

Tribologia - Importância Prática

Locais onde o atrito é desejável;

• Sola dos sapatos;• Pneus dos carros;• Nos pés da mesa;• Embreagem; • Freios;• Escrita com lápis;• etc.

Tribologia - Importância Prática

Movimento de superfícies – desgaste – perda de material.

Na maioria dos casos, desgaste é prejudicial;

Perda de precisão, vibração – acelera o desgaste;

Em alguns casos, desgaste é desejável;Retífca, polimento, usinagem por

ultra-som;Processo de desgaste para remoção de

material.

Tribologia – Superfícies em movimento

O propósito de pesquisa em tribologia é a minimização e eliminação de perdas devido a atrito e desgaste a todos os níveis de tecnologia onde movimento relativo de superfícies esteja envolvido.

A pesquisa em tribologia leva a uma maior efciência de uma ‘planta’, melhor desempenho, menores quebras e signifcativa economia.

Tribologia

Atrito e desgaste NÃO SÃO PROPRIEDADES INTRÍNSECAS DOS MATERIAIS, mas sim do SISTEMA TRIBOLÓGICO imposto (tribosistema).

Tribologia – Caráter Sistêmico

Representação esquemática dos elementos de um tribosistema (Zum Gahr, 1987)

Tribosistema afetado por uma grande variedade de parâmetros.

DESGASTECARACTERÍSTICAS DO PROJETO

• Transmissão de carga

• Tipo de movimento• Formas• Lubrifcação• Temperatura• Ambiente de

trabalho

CONDIÇÕES OPERACIONAIS

• Área de contato• Pressão de contato• Qualidade

superfcial• Lubrifcação• Temperatura• Ambiente de

trabalho

MATERIAL• Composição química• Propriedades mecânicas• Dureza• Tenacidade• Estrutura molecular• Tensão superfcial• Encruamento• Inclusões• Segundas fases• Estrutura cristalina• Tamanho do grão• Revestimentos

ABRASIVOS• Natureza• Dureza• Forma• Granulometria• Angulosidade• Resistência ao

desgaste

Tribologia – Caráter Sistêmico

Efeito da adição de ácido laurico no contato entre um pino de bronze e aço de baixo carbono

Tribologia – Caráter Sistêmico

Mudança do tipo de desgaste em função das dimensões

Tribologia – Caráter Sistêmico

AvariaAvaria

Def. plástica

Def. plástica TrincasTrincas

DesgasteDesgasteCorrosãoCorrosão

A falha de um mecanismo ou estrutura pode ocorrer devido a avaria por deformação plástica, formação e propagação de trincas, corrosão ou desgaste.

Tribologia – Mecanismos de Avaria

Corrosão e desgaste – fenômenos de superfície

Vibração, ruído, aquecimento, mudanças geométricas e fragmentos de desgaste podem ser causados por atrito e desgaste

Perda da função do componente

Tribologia

• Desgaste raramente é catastrófco mas reduz a efciência

• Perdas econômicas podem ser reduzidas pela otimização da organização das fábricas e projeto adequado, produção, montagem e serviço.

Tribologia

Qual é a melhor solução para o problema de suportar carga através da interface com atrito e desgaste aceitáveis?

Métodos de solução de problemas tribológicos (Leal, 1981)

Tribologia – Soluções Tribológicas

• Mecânica dos sólidos;• Física – novos materiais e processos de

revestimento;• Mecânica dos fuidos;• Metrologia – qualifcação das superfícies

tribológicas;• Ciência dos materiais – materiais

tribológicos;• Química – lubrifcantes, aditivos, etc;• Mecânica dos fuidos – comportamento dos

lubrifcantes;• Fabricação – qualidade superfcial;

Tribologia – Caráter Multidisciplinar