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1 aula aula 6 curso de análise de falhas: curso de análise de falhas: desgaste desgaste Desgaste: remoção indesejável de material de superfícies de Desgaste: remoção indesejável de material de superfícies de contato por ação mecânica... contato por ação mecânica...

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Curso de análise de falhas 1 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiaisaula aula 66

curso de análise de falhas:curso de análise de falhas:desgastedesgaste

Desgaste: remoção indesejável de material de superfícies de Desgaste: remoção indesejável de material de superfícies de

contato por ação mecânica... contato por ação mecânica...

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Curso de análise de falhas 2 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

Tribology is the science and technology ofinteracting surfaces in relative motion.

It includes the study and application of theprinciples of friction, lubrication and wear.

The word "tribology" derives from the Greek τρίβω("tribo") meaning "(Ι) rub" (root τριβ-), and λόγος

("logos") meaning 'principle or logic'.

The cost of wear has been estimated as ranging

from 1 to 4% of the GNP of an industrialized nation.

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Curso de análise de falhas 3 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

Wear is not a materials property but a systemcharacteristic or phenomenon.

Materials wear differently in different wearsituations.

Different materials wear differently in the samesituation.

It is necessary to examine and characterize anumber of different parameters, not simply the worn

part.

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Curso de análise de falhas 4 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

The study of the processes of wear is part of the

discipline of tribology. There are five principal wear

processes:

• Adhesive

• Abrasive wear: two-body wear or three-body-wear• Surface fatigue

• Fretting wear

• Erosion wear

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Curso de análise de falhas 5 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

The term abrasive wear is used to describe situations where the principal cause of the wear is

scratching or cutting by abrasive particles.

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Curso de análise de falhas 6 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

Materials that exhibit high ductility with relatively low yieldstrength are more likely to be abraded by plowing.

Increasing E/σy (or decreasing hardness) favors a

plowing mechanism, in which a high proportion

of material is deformed.

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Curso de análise de falhas 7 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgasteDecreasing E/σy (or increasing hardness) favors

a cutting mechanism, in which a high proportion

of material is removed as microchips.

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Curso de análise de falhas 8 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

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Curso de análise de falhas 9 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

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Curso de análise de falhas 10 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

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Curso de análise de falhas 11 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

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Curso de análise de falhas 12 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

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Curso de análise de falhas 13 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Desgaste erosivoDesgaste erosivo

The term erosion is used where the wear is caused by a fluid, a stream of particles, or bubbles

(in the case of cavitation), not by contact between two solid bodies.

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Curso de análise de falhas 14 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

Palheta turbina a vaporPalheta turbina a vapor

Figura 14: Palheta 4, presença de trinca a uma

distância de aproximadamente 107

mm da raiz, vide seta, e

de regiões com deformação plástica e perda de material [17]

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Curso de análise de falhas 15 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgaste e fadigaDesgaste e fadiga

Palheta turbina a vaporPalheta turbina a vapor

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Curso de análise de falhas 16 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgaste e fadigaDesgaste e fadiga

Palheta turbina a vaporPalheta turbina a vapor

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Curso de análise de falhas 17 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

Palheta turbina a vaporPalheta turbina a vapor

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Curso de análise de falhas 18 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisDesgasteDesgaste

Palheta turbina a vaporPalheta turbina a vapor

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Curso de análise de falhas 19 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais DesgasteDesgaste

More than one type of mechanism can be involvedin a wear situation. Individual mechanisms caninteract sequentially to form a more complex wearprocess.

However, one mechanism generally is thecontrolling and primary mechanism.

Materials can exhibit transitions in wear behavior asa result of changes in other operational parameters,such as load, velocity, and friction.

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Curso de análise de falhas 20 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais ConclusionsConclusions

• Wear failures occur because of the sensitivity ofa material or system to the surface changes

caused by wear.

• Typically, it is the geometrical or profile aspectsof these changes, such as a dimensional

change, a change in shape, or residual thicknessof a coating, that defines failure.

• However, a change in appearance and thenature of the wear damage also can be causes

for failure. Wear can reduce fatigue life!

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Curso de análise de falhas 21 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Fadiga de contatoFadiga de contato

• Hertzian contact stress refers to the

localized stresses that develop as two

curved surfaces come in contact and

deform under the imposed loads.

• These contact stresses are cyclic in nature

and over time lead to sub-surface fatigue

cracks.

Heinrich Rudolf HertzHeinrich Rudolf Hertz

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Curso de análise de falhas 22 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisHeinrich Rudolf HertzHeinrich Rudolf Hertz

Rolling of a cylinder on a plane surface showing Rolling of a cylinder on a plane surface showing

the stress fields. Note the reversal cycling of the the stress fields. Note the reversal cycling of the

shear stressesshear stresses

Fadiga de contatoFadiga de contato

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Curso de análise de falhas 23 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Fadiga de contatoFadiga de contato

Fig. 11. Applied shear stress and material shear strength as a function of depth

representing: no contact fatigue damage (right). subsurface- origin contact

fatigue damage by the presence of microstructural stress raiser (centre) and sub-

surface-origin contact fatigue damage by the occurrence of thin case depth (left).

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Curso de análise de falhas 24 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Fadiga de contatoFadiga de contato

Sub-superficial: rolamento puro

H ~ 200 um

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Curso de análise de falhas 25 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFig. 3 Stress distribution in contacting surfaces due to rolling, sliding, and

combined effect

Fadiga de contatoFadiga de contato

The higher the tangential force

or traction, the more likely will

be surface-generated contact

fatigue.

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Curso de análise de falhas 26 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Fadiga de contatoFadiga de contato

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Curso de análise de falhas 27 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais• Aplicações: estruturas de conversão de energia,

como turbinas, reatores, trocadores de calor

• Fluência:

ε= f (σ) em baixa temperatura

ε= f (σ, t, T) em alta temperatura

• Fadiga: redução de σ com T

• Fadiga térmica: ciclagem térmica induzindo σ

Falhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 28 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais• Instabilidade microestrutural: termodinânima e

cinética de transformação de fases. Intermetálicos:

ordem desordem

• Reação com o meio: oxidação, sulfetação. Pode

induzir trincas ou alterar coeficientes de troca de

calor….

• Sobrecarga

• Soluções: resfriamento; camadas protetoras

Falhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 29 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais• Fluência (T > 0.3* Tf):

• Por discordância• Por difusão

Difusão libera discordâncias de obstáculos, cuja

movimentação leva à fluência.

Falhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 30 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFalhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 31 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFalhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 32 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFalhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

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Curso de análise de falhas 33 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisFalhas em alta temperaturaFalhas em alta temperatura

Como evitar fluência?

Material de alto ponto de fusão;

Maximizar número de barreiras à movimentação de discordâncias

(precipitados estáveis e soluções sólidas;

Tamanho de grão grande : minimizar difusão em CG

Imobilizar contornos de grão com precipitados

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Curso de análise de falhas 34 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Corrosão intergranularCorrosão intergranular

Trocador de calor, falha na ZAT, 2.25Cr–1.0Mo steel

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Curso de análise de falhas 35 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais Corrosão sob tensãoCorrosão sob tensão

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Curso de análise de falhas 36 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisCorrosão sob tensão em Niquel (metalúrgia do pó)

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Curso de análise de falhas 37 Cesar R. F. Azevedo – aula 05 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de MateriaisPara prova:

Estudar tópicos de aula pelo livro:

Understanding how components fail

Donald J. Wulpi