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Desgaste PGMEC EME734 Prof Adriano Scheid

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Desgaste

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  • Desgaste PGMEC EME734

    Prof Adriano Scheid

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Introduo

    Desgaste definido como sendo a remoo indesejvel de

    material de superfcies em contato por ao mecnica.

    O desgaste de componentes um problema que envolve um

    custo elevado de operao de mquinas, alm de muitas

    pessoas envolvidas na substituio dos mesmos. Ao mesmo

    tempo, eliminar o desgaste pode levar falncia de muitas

    empresas que sobrevivem pela reposio dos seus produtos.

    O desgaste considerado um tipo de deteriorao. Em

    muitos casos, pode ser minimizado pela adoo de

    lubrificantes, filtragem, engenharia de materiais, projeto

    adequado, entre outros.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Tipos Comuns de Desgaste

    Os tipos mais comuns de desgaste so:

    1- Desgaste Abrasivo

    - Desgaste Erosivo (coliso de partculas)

    - Desgaste por contato com superfcie abrasiva

    (lixamento)

    - Desgaste por Goivadura

    2- Desgaste Adesivo

    3- Desgaste por Atrito diferencial

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Tipos Comuns de Desgaste

    1- Desgaste Abrasivo

    Pode ser caracterizado por uma nica palavra: Corte.

    O desgaste abrasivo ocorre quando partculas duras

    suspensas em um fluido ou projees da superfcie de rolos

    ou deslizamento sob presso contra outra superfcie, causam

    o corte da outra superfcie.

    Caractersticas importantes:

    a- O corte do metal causa distoro microscpica na

    estrutura da superfcie, formando um fragmento distorcido

    que removido.

    b- Calor gerado pela frico entre os materiais.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Tipos Comuns de Desgaste

    1- Desgaste Abrasivo (Grinding ou Gouging), ocorre quando a

    partcula est presa entre duas superfcies.

    Carga (W)

    Superfcie

    Desgastada Distncia que a Partcula

    Abrasiva se move

    Metal Removido pela

    Partcula Abrasiva

    Direo de

    movimento

    Dimetro da

    Partcula Abrasiva

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Tipos Comuns de Desgaste

    1- Desgaste Abrasivo (Erosion): Ocorre quando a partcula

    colide sobre a superfcie a um dado ngulo.

    Direo de

    Coliso

    ngulo de

    Coliso

    Dimetro da

    Partcula

    Abrasiva

    Metal Removido pela

    Partcula Abrasiva

    Superfcie

    Desgastada

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    1- Solues gerais para o Desgaste Abrasivo

    Aumento da Dureza Superficial

    Em diversos casos parece ser a mais bvia soluo, como

    para ferramentas de corte, facas de corte, ferramentas em

    geral. O aumento da dureza, entretanto, pode levar fratura

    frgil (aumento da tendncia) que resulta em pior

    comportamento do que o prprio desgaste.

    Remoo das Partculas Externas

    Parece tambm bvio que se existem partculas abrasivas, a

    sua eliminao anularia o desgaste. Este o motivo que leva

    adio de filtros de ar, gua e leo usados em vrios tipos

    de mquinas. Motores de carro usam filtros de ar, leo e

    combustvel, no sentido de eliminar este fator.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    1- Solues gerais para o Desgaste Abrasivo

    Substituio do Componente Desgastado

    Uma forma comum de conviver com o desgaste substituir o

    componente desgastado por um novo. Entretanto, a

    substituio pode no ser prtica em muitas situaes,

    devido acessibilidade, custos de parada de mquina,

    disponibilidade de peas de reposio em situaes de

    emergncia.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Erosivo (Erosive Wear)

    Ocorre quando partculas em um fluido ou outro meio colide

    sobre a superfcie em alta velocidade. Cada partcula

    abrasiva que colide na superfcie promove a remoo de uma

    partcula desta.

    Uma partcula no promove expressiva mudana na

    superfcie, entretanto, inmeras partculas podem levar a

    dano severo.

    reas com desgaste erosivo tem sido observadas em

    bombas, vlvulas, rotores e turbinas, alm do interior de

    tubulaes com dobras a 90, em que existe movimento

    relativo de um agente abrasivo.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Erosivo (Erosive Wear)

    Caractersticas do Desgaste Abrasivo

    1- Remoo geral de material ou

    revestimentos de baixa dureza

    2- Arranhamento com formao de

    canais de remoo de material

    (Grooving)

    3- Arredondamento de cantos ou

    mudanas na forma do componente.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste por Lixamento (Grinding Wear)

    Ocorre quando as partculas sujeitas a elevadas tenses e

    baixa velocidade cortam a superfcie e muitos pequenos

    arranhamentos (grooves) se formam.

    Este tipo de desgaste envolvendo elevada tenso e baixa

    velocidade caracterstico de ferramentas agrcolas, peas

    de contato com a terra, minerao, sapatas de escavadeira,

    facas de corte, entre outros.

    caracterstico pelo desgaste de reas de elevada tenso,

    particularmente em cantos, causando mudana na forma.

    Este tipo tambm pode ser associado ao aparecimento de

    uma superfcie mais polida que as demais regies, como

    resultados do contato com pequenas partculas abrasivas.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste por Goivagem (Gouging Wear)

    Este tipo de desgaste causado por impacto de elevada

    tenso causados em taludes, que tendem a cortar fragmentos

    de desgaste da superfcie do metal.

    Este tipo de servio encontrado em escoramento de

    encostas em desabamento, minerao, perfurao de poos

    de petrleo, processamento de cermicas, etc.

    Aos Hadfield:

    Desenvolvido a cem anos

    atrs por Robert Hadfield

    na Inglaterra. um ao

    Mangans austentico que

    transforma para Martensita

    por deformao.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Adesivo (Adhesive Wear)

    Pode ser caracterizado por uma palavra: soldagem ou microsoldagem.

    (a) Quando os picos de rugosidade de uma superfcie encontram outras,

    ocorre a microsoldagem pelo aquecimento gerado pela frico das

    superfcies.

    (b) A continuao do deslizamento faz a rugosidade ser reduzida em uma

    das superfcies, enquanto aumentada na outra.

    (c) Este pico mais alto formado em (b) agora est apto a interagir

    novamente com a outra superfcie.

    Juno Soldada

    Rugosidade Cisalhada Partcula do Desgaste

    Rugosidade Cisalhada

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Adesivo (Adhesive Wear)

    Desgaste Adesivo Severo em pino de eixo que girou sem

    lubrificante. Ao Carbono Cementado.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Adesivo (Adhesive Wear)

    Desgaste Adesivo de uma cruzeta seguido de fratura na

    regio de desgaste severo. Resultou de lubrificao

    inadequada. Ao Carbono Cementado.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste Adesivo

    Alm do aquecimento gerado pela frico, alta o suficiente

    para causar a microsoldagem, a temperatura tambm

    elevada o suficiente para causar tratamento trmico

    indesejado na superfcie do metal.

    O desgaste adesivo similar queima de retfica e ambos

    podem induzir o revenimento de regies subsuperficiais ou

    endurecimento com alteraes microestruturais nos aos,

    resultando em martensita no revenida (branca) que

    extremamente susceptvel ao trincamento devido sua

    elevada dureza e fragilidade.

    Estas trincas podem levar fratura frgil ou fratura por

    fadiga, dependendo do carregamento e aplicao.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Preveno do Desgaste Adesivo

    Uma vez que o desgaste adesivo causado por elevadas

    temperaturas localizadas, a temperatura do interior do

    lubrificante deve ser mantida baixa.

    Adoo de metais em contato que so insolveis uns nos

    outros. Se dois metais no so soldveis, o resultado a

    eliminao do desgaste adesivo. Este princpio usado para

    a seleo de materiais para buchas de deslizamento. No

    usa-se ao contra ao na fabricao de buchas (no

    intencionalmente). Quando for o caso, usa-se revestir com

    Prata ou Ouro ou outra tcnica pode ajudar a evitar o

    desgaste adesivo.

    Seleo de superfcies polidas, uma vez que sero reduzidas

    as imperfeies s quais o lubrificante precisa penetrar. Isto

    que dizer que filmes contnuos de lubrificante so preferidos.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Preveno do Desgaste Adesivo

    Superfcies quimicamente sujas ou a adoo de filmes

    qumicos so frequentemente usados a fim de evitar o

    contato metal-metal. Superfcies com fosfatos ajudam a

    separar a superfcie metal-metal, especialmente no incio de

    operao de um equipamento. Neste caso, a superfcie com

    malha de fosfato auxilia a manter o lubrificante.

    leos especiais vem sendo desenvolvidos nos ltimos anos

    para formar filmes monomoleculares na superfcie dos aos.

    So usados onde existe altas velocidades de deslizamento.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste por Atrito Diferencial (Fretting Wear)

    Pode ser caracterizado de forma similar ao desgaste adesivo,

    uma vez que ocorre a microsoldagem. A diferena para o

    adesivo que no Fretting as superfcies esto estacionrias umas s outras.

    Entretanto, quando mnimas defleces elsticas ou pequeno

    movimento relativo ocorre, o movimento cclico de amplitude

    extremamente pequena suficiente para causar a

    microsoldagem de ambas superfcies.

    Fretting wear tambm conhecido como Fretting Corrosion

    (corroso de atrito acelerado por vibraes diferenciais na

    regio interfacial).

    Este tipo de desgaste ocorre em juntas estacionrias que

    esto fixadas por parafusamento, pinos ou outros

    mecanismos.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste por Atrito Diferencial (Fretting Wear)

    Fadiga originada do desgaste por Atrito Diferencial, partindo

    do dimetro externo do dente do recartilhado.

  • Falhas por Desgaste: Abrasivo e Adesivo

    Desgaste por Atrito Diferencial (Fretting Wear)

    Formas de preveno do Fretting Wear:

    - Eliminar ou reduzir a vibrao - Esta soluo pode vir

    acompanhada por artifcios anti-vibrao, alterar seces a fim de

    alterar a frequncia de vibrao natural.

    - Eliminar ou reduzir o deslizamento na interface Algumas vezes pode ser elevada a presso entre as superfcies ou elevao da

    rugosidade.

    - Adoo de Elastmero na junta Projetar uma nova junta com uso de luvas de elastmeros, absorvendo as vibraes e prevenindo o

    contato metal-metal.

    - Introduo de tenses residuais compressivas superficiais

    auxiliam a prevenir a falha causada por este tipo de desgaste. (Shot

    peening, surface rolling). Podem ser realizada a nitretao da

    superfcie.

  • Desgaste-Fadiga

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Introduo

    Neste captulo, sero discutidos diferentes motivos para a remoo

    de metal em superfcies, tais como a fadiga que produz cavidades e

    pites. Este processo pode ocorrer pelo contato de superfcies ou

    por movimento relativo entre um fluido e uma superfcie.

    As cavidades so um defeito crtico, uma vez que promovem

    concentrao de tenses que podem levar fratura do componente.

    Outra possibilidade a participao dos fragmentos gerados no

    processo de desgaste dos componentes de uma mquina.

    A fadiga discutida aqui apresenta o mesmo mecanismo resultante

    da aplicao de cargas cclicas para milhares de ciclos. Entretanto,

    ao invs de levar fratura da pea, somente fragmentos superficiais

    so removidos (pelo menos inicialmente). Estes fragmentos,

    quando destacados, geram pites ou cavidades nas superfcies.

    Este processo chamado Desgaste por Pitting ou Fadiga por

    Tenso de Contato.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Existem trs tipos de Comportamento

    1- As cavidades iniciam como cavidades microscpicas e

    permanecem microscpicas ao longo da vida do componente. Neste

    caso, apenas um polimento ou aspecto superficial brilhante na

    superfcie observado.

    2- As cavidades iniciam como microscpicas e gradualmente se

    tornam maiores durante a vida em servio do componente.

    3- Neste caso, as cavidades so grandes e medida que o

    componente opera, tornam-se ainda maiores.

    Os tipos 2 e 3 atuam destrutivamente em engrenagens de ao

    endurecido, buchas de mancais, eixos de cames e outras peas que

    operam com tenses combinadas de rolamento de deslizamento.

    Este fenmeno ocorre entre superfcies convexas em contato ou

    ainda superfcies convexas-cncavas.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Situaes que envolvem Fadiga de Tenso de Contato

    Este fenmeno ocorre entre superfcies convexas em contato

    ou ainda superfcies convexas-cncavas.

    Uma das razes que justifica a ocorrncia da formao de

    cavidades por fadiga para superfcies em contato com tenses

    compressivas que as reas de contato esto concentradas

    em uma linha ou ponto de contato, dependendo da geometria

    do componente.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    A fadiga por tenses de contato pode ser subdividida em:

    1- Fadiga com origem sub-superficial

    2- Fadiga com origem superficial

    3- Fadiga com origem em aos endurecidos superficialmente

    (Fadiga por Lascamento ou Spalling)

    4- Fadiga por Cavitao

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    1- Fadiga com origem sub-superficial

    um tipo de fadiga que ocorre em aos endurecidos quando

    houver movimento por rolamento (puro) de um elemento em

    relao a outro. De fato, rolamento puro no muito

    adequado, quando sabemos que a deflexo elstica est

    presente.

    Uma vez que a mxima tenso est localizada a pequenas

    profundidades da superfcie, este o local normal para a

    nucleao da fadiga.

    Enquanto na superfcie os fatores geomtricos so os mais

    comuns concentradores de tenso, para a fadiga sub-

    superficial estes concentradores de tenso so incluses

    duras e frgeis presentes no ao.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    1- Fadiga com origem sub-superficial

    Este tipo de falha observada em dentes de engrenagem,

    eixos de rolamento e buchas de rolamento.

    A trinca nucleia e propaga paralelamente superfcie,

    podendo alcanar a superfcie externa.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    1- Fadiga com origem sub-superficial

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial

    Este tipo de fadiga ocorre em aos endurecidos quando

    houver movimento por rolamento e deslizamento durante a

    operao. Neste caso, um mecanismo diferente e complicado

    aparece.

    A mxima tenso de cisalhamento no est localizada abaixo,

    mas trazida para a superfcie devido frico por

    deslizamento e tenses trativas associadas.

    Rolamento Rolamento

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial

    O rolo superior roda em velocidade maior que o inferior,

    conforme a figura. A figura mostra que a superfcie do rolo

    inferior deformada para a esquerda, enquanto o rolo

    superior deformado para a direita.

    Usualmente os termos Negative Sliding e Positive Sliding so usados quando o sentido de rotao e deslizamento so

    iguais ou opostos. O primeiro caso refere-se ao rolo inferior e

    o segundo ao superior. Mais

    Rpido

    Mais

    Lento

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial

    No caso em que o Negative Sliding ocorre, as tenses geradas so maiores, uma vez que o rolamento ocorre em um

    sentido e o deslizamento no sentido oposto. Neste caso, h

    maior gerao de tenses de frico, trmicas e de

    cisalhamento e o nmero de revolues maior no rolo menor.

    Mais

    Rpido

    Mais

    Lento

    Positive Sliding

    Negative Sliding

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial

    Caracterstica Rolo Inferior Rolo Superior

    Velocidade Superficial Lento Rpido

    Rotao Anti-horrio Horrio

    Rolamento Horrio Anti-horrio

    Deslizamento Anti-horrio Anti-horrio

    Pos. / Neg. Sliding Negative Positive

    Mais Rpido

    Mais Lento

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial

    Trincas com origem superficial

    ngulo de 45 de avano das trincas

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial (Engrenagens)

    No h deslizamento no momento em que a direo do

    deslizamento se inverte (Pitch Line).

    Engrenagem

    Motriz Engrenagem

    Motriz

    Engrenagem

    Movida

    Engrenagem

    Movida R Rolamento S - Deslizamento

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    2- Fadiga com origem superficial (Engrenagens)

    A regio de fadiga por pitting ocorre na distncia entre o passo

    circular e a raz do dente da engrenagem menor. Assim, a

    engrenagem menor fabricada com dureza levemente superior

    engrenagem maior, a fim de compensar o menor dimetro

    que passa por um maior nmero de ciclos aplicados.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    3- Fadiga em Aos Endurecidos Superficialmente

    Neste tipo de fadiga, muitos pedaos so subitamente

    removidos da superfcie, causando dano extensivo s partes.

    conhecido como Spalling ou Subcase Fatigue, sendo o ltimo preferido para referncia a este tipo de falha.

    um tipo de falha parecido com a fadiga subsuperficial,

    entretanto, a diferena est na magnitude de escala. Enquanto

    a fadiga subsuperficial ocorre pouco abaixo da superfcie, a

    fadiga em aos endurecidos superficialmente geralmente

    ocorre abaixo da camada endurecida, dependendo assim, do

    tipo de tratamento trmico realizado.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    A fadiga pode ser originada em profundidade como conseqncia das

    tenses de contato e pode ser tanto paralela quanto perpendicular

    superfcie. O aumento da profundidade de endurecimento, assim como da

    dureza no ncleo pode resolver o problema.

    Camada

    Endurecida

    Trincas de Fadiga

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    4- Fadiga por Cavitao

    Este um tipo de fadiga por tenses de contato que gera

    pitting causado pela vibrao e movimento em vrios lquidos,

    dos quais a gua o mais comum.

    A Fadiga por pites de Cavitao um problema em

    propulsores na marinha, cilindros de motores diesel, bombas

    hidrulicas, turbinas, entre outros.

    Pites de Cavitao so caracterizados por apresentarem,

    algumas vezes, processos de corroso associados e por

    ocorrerem em zonas de baixa presso com uma vibrao na

    interface metal-lquido.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    4- Fadiga por Cavitao

    Lq

    uid

    o

    Lq

    uid

    o

    Lq

    uid

    o

    Lq

    uid

    o

    Lq

    uid

    o

    Mecanismo de Fadiga por Pites

    de Cavitao

    a- Parede de metal se move

    contra a inrcia do lquido.

    b- O metal atinge o final do

    curso do movimento, com o

    lquido ainda se movendo para

    a direita.

    c- Lquido se move para a

    direita e metal para a esquerda,

    induzindo a formao de

    bolhas.

    d- Metal atinge o final de curso

    para a esquerda, dispondo as

    cavidades ao longo da

    interface.

    e- Metal inicia o movimento

    para a direita e colide com o

    lquido em movimento para a

    esquerda.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    4- Fadiga por Cavitao

    Pites de Cavitao de um Ferro Fundido Cinzento de um

    cilindro de motor diesel .

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    4- Fadiga por Cavitao

    Pites de Cavitao em palhetas de Ferro Fundido Cinzento em

    bomba dgua.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    4- Fadiga por Cavitao

    As cavidades colapsam violentamente (ou implodem) devido

    inrcia de ambos metal e lquido devido ao movimento relativo

    entre ambos.

    As cavidades em colapso implodem contra o metal com

    tenses compressivas da ordem de diversas atmosferas de

    presso.

    As cavidades formam-se em locais preferenciais e, medida

    que ocorre o movimento relativo repetitivo, o mecanismo de

    fadiga avana at que os pites se formem na superfcie do

    metal nestes locais.

  • Falhas por Desgaste-Fadiga

    Fadiga por Tenses de Contato

    Preveno da Fadiga por Cavitao

    Aumentar a rigidez do componente

    Reduo da amplitude de vibrao do componente pode ser

    conseguida pelo aumento da espessura ou adio de

    nervuras.

    Melhorar e uniformizar o acabamento superficial

    Se os picos e vales da superfcie forem reduzidos e

    uniformizados, os locais para a nucleao das bolhas na

    interface metal-lquido sero afetados, alterando a distribuio

    e intensidade das mesmas.