desgaste

Desgaste PGMEC EME734

Prof Adriano Scheid

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.


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



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.



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



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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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



Desgaste Adesivo Severo em pino de eixo que girou sem

lubrificante. Ao Carbono Cementado.



Desgaste Adesivo de uma cruzeta seguido de fratura na

regio de desgaste severo. Resultou de lubrificao

inadequada. Ao Carbono Cementado.


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.


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.


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.


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.



Fadiga originada do desgaste por Atrito Diferencial, partindo

do dimetro externo do dente do recartilhado.



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.


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.


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.


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




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.




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.




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




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




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




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




Trincas com origem superficial

ngulo de 45 de avano das trincas



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



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.



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.



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




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.




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.




Pites de Cavitao de um Ferro Fundido Cinzento de um

cilindro de motor diesel .




Pites de Cavitao em palhetas de Ferro Fundido Cinzento em

bomba dgua.




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.



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.

desgaste

Documents