Cap 4 Atrito
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Disciplina: Introdução à Tribologia Prof.: Sinésio D. Franco
Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Mecânica
Laboratório de Tecnologia em Atrito e Desgaste
4 – Atrito
Importância:
Transmissão de potência mecânica;
Caminhar;
Responsável pelo desgaste de peças e componentes;
Etc.
Contato entre superfícies:
Ac = a1 + a2 + a3 + .... + an
Determinação experimental –
resistividade elétrica
Para aços:
AC = AN/1.000
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4- ATRITO
4.1- Definições
4.2- Leis de atrito
4.3- Atrito nos metais
4.4- Atrito em não metais: cerâmicos, polímeros e sólidos lamelares
4.1- DEFINIÇÕES
F – Força de atrito
Atrito – iresistência ao desçocamento entre dois corpos que se interagem
Coef. de atrito = = F/W
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FORÇA DE ATRITO ESTÁTICO
Força necessária para INICIAR o
movimento relativo
FORÇA DE ATRITO DINÂMICO
Força necessária para MANTER o
movimento relativo
Valores típicos de :
Mancais de rolamento: 0,001 (baixas cargas);
Metal/metal no vácuo: > 10
Deslizamento ao ar: 0,1 a 1,0
4.1- Definições
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Evolução do coeficiente de atrito: indicação de fases do processo
PU contra PA (Nylon11®, 3 MPa, 4 mm/s, submerso
em água a 16 ºC
4.1- Definições
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4.2- LEIS De ATRITO (EMPÍRICAS)
Para:
Determinados pares de materiais
Condições fixas (ausência de lubrificação)
Leis de Amontons (1699):
1ª) A FORÇA DE ATRITO É PROPORCIONAL À FORÇA NORMAL!
2ª) A FORÇA DE ATRITO INDEPENDE DA ÁREA DE APARENTE DE CONTATO
Lei de Coulomb (1785)
3ª) A FORÇA DE ATRITO INDEPENDE DA VELOCIDADE
em função de FN para
o par aço/madeira ao ar. em função de FN para o
par Al/Al ao ar.
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Origem do atrito:
Segundo Amontons e Coulomb – o é função das interações mecânicas entre as asperidades
De A B:
De B C:
Modelo de Coulomb – NÃO SE APLICA!
Em escala macroscópica: nenhuma dissipação de energia!
Trabalho devido a F
Trabalho devido a W
Trabalho devido a F
Trabalho devido a W
4.2- Leis de atrito
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Interações Superficiais
Deformação da asperidades
Adesão entre asperidades
Sem adesão, mas com
movimentação relativa e
deformação plástica: sulcamento
do material
HA > HB
Esfera + placa, sem rugosidade Adesão e deformação
4.2- Leis de atrito
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Sentido de riscamento 20 µm
Riscamento do aço 8550 recozido, com
penetrador de diamante, raios de ponta de
100 m, força normal de 10 N
Exemplo de sulcamento Exemplo de adesão
Material proveniente
do cabo
Direção de
deslizamento
Corpo: revestimento aspergido de Ni18Cr6Al, arco elétrico, 95HRB
Contra-corpo: aço inoxidável superaustenício (X 1 NiCrMoCuN 25-20-7)
4.2- Leis de atrito
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Carga (N) μ
1 0,088±0,002
2 0,125±0,003
5 0,178±0,001
10 0,255±0,001
μ para aço em função da carga normal; penetrador de raio de ponta de 100 µm
Efeito do aumento da deformação (sulcamento) no coeficiente de atrito:
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Se W é retirada:
separação ou não de A e B e
recuperação elástica!
Formação de Junções:
Assumindo:
sy - pressão escoamento do material mais macio
Ac - Área de contato,
Assumindo:
r2 > r1
h – recuperação elástica
Teoria de Hertz
H - h
4.2- Leis de atrito
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Como a integridade da junção determina o atrito: μIn > μAço (μIn = 2,0 e μAço= 0,8)
15hIn hAço
Teorias de atrito
A – Adesão (Bowden e Tabor, 1950) Contato entre superfícies – apenas nas asperidades
Def. elástica/plástica pequena
e p0 H
Solda a frio
Assumindo que S seja a força por unidade de área necessária para cisalhar a junção:
Onde: pe – componente devido à deformação plástica (sulcamento)
pe << A.S – contato metálico sem lubrificação
Assim: Atrito independe da área de contato e da carga
normal!
4.2- Leis de atrito
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Fazendo S = Crit. do material mais mole:
Par
Au/Au 2,0
Ag/Ag 0,8 - 1,0
In/In 2,0
Pb/Pb 1,5
Cr/Cr 0,4
Aço (0,13C)/Ag 0,5
Aço/Cu 0,8
Aço/Latão() 0,5
Considerando o termo correspondente à deformação:
Em superfícies reais: > 80º < 0,1
4.2- Leis de atrito
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Discrepâncias:
Encruamento
Crescimento de junções
B – Modelo Adesivo Extendido (Bowden e Tabor)
No modelo anterior: AC = f(W)
No modelo adesivo extendido: AC = f(W,F); leva em consideração tensõe tangenciais e normais
4.2- Leis de atrito
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Se W = cte. CRESCIMENTO DE JUNÇÕES
Determinação da tensão cisalhante máxima:
Tresca:
Von Mises:
Fazendo uma análise qualitativa (Tresca):
e
F A
Este modelo não propõe limite para o crescimento de , mas há limitações:
Ductilidade do material e
Presença de filmes interfaciais fracos
4.2- Leis de atrito
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Para 1 = 0 , ∞; Motivo: crescimento ilimitado das junções
Com interfaces fracas, é finito e decai rapidamente com 1/0
Assumindo:
Crit.(tensão cisalhante crítica do filme) < 0 (tensão cisalhante crítica do material)
Critério de Tresca: p0 = 20
4.2- Leis de atrito
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Em havendo um filme na interface - a força de atrito é determinada pela tensão
de cisalhamento do filme
4.2- Leis de atrito
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Distância de deslizamento
Coef. d
e a
trito
Estático
Dinâmico
1 μm 10 μm
Cinemática do atrito
Durante a formação de uma junção entre duas asperidades:
Devido à ação de W
Devido à ação de F Aumento da área de contato A
s e até o rompimento da junção (F = 0)
Em casos práticos:
deslizamento não é suave (formação e ruptura de junções) – stick-slip
4.2- Leis de atrito
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Tempo
Coef. d
e a
trito
stick-slip – função dos materiais envolvidos
e da T de fusão
Coef. d
e a
trito
Tempo
Materiais de elevada H e TF sobre materiais de baixa H e TF
Grande contribuição do sulcamento no
Materiais de baixa H e TF sobre materiais de alta H e TF
Forte adesão
Materiais similares
Adesão e sulcamento
4.2- Leis de atrito
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4.3- ATRITO NOS METAIS
- fortemente influenciado pelos parâmetros de teste (sistêmico)
ATRITO NO VÁCUO
Se: superfícies limpas e em alto vácuo
2 < < 10 (forte adesão)
Elevado desgaste
Crescimento das junções limitado apenas pela ductilidade
Equipamentos para trabalho no vácuo: lubrificantes sólidos e filmes de metais macios
ATRITO DE PARES METÁLICOS SIMILARES NO AR
Valores típicos: 0,5 < < 1,5
Au – elevado (metal nobre e elevada ductilidade (junções))
Disciplina: Introdução à Tribologia Prof.: Sinésio D. Franco
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Efeito do Oxigênio no coef. de atrito do Fe
Co
ef. d
e at
rito
Vácuo (forte
adesão)
10-3 mmHg
Vários mmHg
Após 15 h
3
2
1
Tempo
4.3- Atrito nos metais
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Região I: Baixo
Contato óxido/óxido
Elevada resistência elétrica
Após o deslizamento, superfície relativamente lisa
tensão de cisalhamento e ductilidade do óxido
Efeito da carga de teste (destruição da camada oxidada)
Co
ef. d
e at
rito
1,5
1,0
0,5
Carga, N 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10
Variação do coma a carga aplicada em Cobre ao ar
I II III
Região III: Elevados valores de (> 1,5)
Forte deformação da superfície
(contato metálico)
Região II: Zona de transição, nem sempre detectável
4.3- Atrito nos metais
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Influência da dureza e da ductilidade do substrato:
Metais macios e dúcteis:
Contato metálico mesmo a baixas cargas
Substrato fornece pouco suporte mecânico Elevado , constante com a carga
Metais duros:
Bom suporte mecânico
Se há formação de óxido – ótima adesividade e
propriedades mecânicas (ex.: Cr);
Baixo , constante com a carga;
Ampla faixa sem contato metálico
4.3- Atrito nos metais
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ATRITO EM METAIS E LIGAS METÁLICAS DISSIMILARES AO AR
Atrito ao ar – formação de óxidos
< (composição, microestrutura, carga)
Liga < Metal puro
Variação do com a carga normal em aços ao ar (pares de
mesmo material), a seco Hematita: 1100HV0,05
Magnetita: 400HV0,05
4.3- Atrito nos metais
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Amostra revestida
Fn
F
t
F
t
Contra-corpo (cabo de aço inoxidável)
Parâmetros de teste:
• Carga: 65 N;
• Velocidade: 40 e 200 mm/s;
• Duração: 3 h em steady state;
• Arame: X 1 NiCrMoCuN 25-20-7
• Revestimento: estelita 6
Desgaste oxidativo – baixo e desgaste
Óxidos da
microestrutura
Direção de
deslizamento
4.3- Atrito nos metais
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Material
Prata 0,5
Alumínio 0,5
Cádmio 0,4
Cobre 0,8
Índio 2,0
Cu20%Pb 0,2
Cu40%Zn 0,2
Fofo cinzento 0,4
Aço com 0,13%C 0,8
Cu30%Zn 0,5
Coeficiente de atrito ao ar para metais puros e ligas contra um aço com 0,13 %C
Latão, fofo cinzento e Cu-Pb: interface
com fase de baixa tensão de cisalhamento
4.3- Atrito nos metais
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Efeito da temperatura:
T ??????
Resistência mecânica
Taxa de oxidação
Transformações de fase
4.3- Atrito nos metais
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Metais CFC
Mudança de comportamento devido à taxa
de encruamento, que especialmente maior
nos metais CFC
Metais CCC
Mudança de comportamento devido à
transição dúctil-frágil
Variação do com T para metais puros contra
amostras do mesmo materiais (alto-vácuo)
Mai
or
encr
uam
ento
4.3- Atrito nos metais
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Variação do com T para metais puros contra
amostras do mesmo materiais (alto-vácuo)
Metais HC
Em atmosfera contendo ar:
T taxa de oxidação espessura do óxido
Deslizamento entre um aço inoxidável e Níquel,
mostrando a formação de óxido de Níquel a
partir de 750 ºC
4.3- Atrito nos metais
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V elevadas: T Tfusão
= (viscosidade)
Variação do com a velocidade V de
deslizamento (pares similares)
Outro exemplo: esqui/neve
4.3- Atrito nos metais
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Efeito da temperatura no
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 100 200 300 400 500 600 700
Temperatura de ensaio (ºC)
Co
efi
cie
nte
de
atr
ito
AR FFAC
Aço Rápido (884 HV20) - AR
Ferro Fundido de Alto Cromo (672 HV20) – FFAC
T:
• maior formação de óxidos,
• maior oxidação dos
fragmentos de desgaste
frequência de 6 Hz,
amplitude de 6 mm e
carga de 31,4 N
C Cr W Mo Mn Ni V
FFAC 2,7 17 - 1,3 1,0 1,0 - AR 1,8 7,0 2,0 2,0 - - 4,0 μ
4.3- Atrito nos metais
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Variação do μ em função da T para Cu3Au (Cu25%atAu)
Acima de 390 ºC Abaixo de 390 ºC
Maior H e E!
4.3- Atrito nos metais
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4.4- ATRITO EM NÃO METAIS: CERÂMICOS, POLÍMEROS E SÓLIDOS LAMELARES
ATRITO EM MATERIAIS CERÂMICOS
Materiais de interesse:
Cerâmicas estruturais ( Densidade, E e H); ex.: Si3N4, SiC, Al2O3, zircônia (cúbica ou
hexagonal)
Revestimentos: TiN, diamante, CBN, PCBN, etc.
Estrutura atômica: ligações iônicas ou covalentes
Baixo no. de sistemas
de escorregamento
Elevados esforços
para a movimentação
de discordâncias
Assim, a deformação plástica em cerâmicas é bastante reduzida
Contato do tipo elástico, sem crescimento de junções, exceto em temperaturas elevadas
Contatos em cerâmicas: 0,25 < μ < 0,80
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Apesar da maior inércia química, podem ocorrer reações triboquímicas (formação de filmes), pois:
Flash temperatures (temperaturas muito elevadas na interface pelo rápido deslizamento);
Superfícies atomicamente limpas;
Estimulação mecânica
Efeito da atmosfera no μ do Si3N4 (pino-
sobre-disco, 150 mm/s)
4.4- Atrito em não metais
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μ versus força normal, ensaios de esclerometria com cone de diamante (60º) em SiC no (00.1)
Carga
4.4- Atrito em não metais
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Variação do μ com a velocidade de deslizamento
4.4- Atrito em não metais
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Grafite: energia de ligação entre camadas é de 0,1 a 0,01 da energia de ligação dos átomos
no plano
MoS2: ligação entre camadas – forças de van der Waals;
4.4- Atrito em não metais
Ligações entre átomos de uma camada: covalentes (fortes);
Ligações entre as camadas: van der Waals (fracas)
ATRITO EM SÓLIDOS LAMELARES
Estrutura lamelar baixo μ
Ex.:
Grafita MoS2
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ATRITO EM POLÍMEROS
E/H – determina a plasticidade do contato
E/H
Metais >100
Polímeros 10
Onde: r representa parâmetros de topografia, s* e r representam parâmetros de topografia
Contatos quase sempre elásticos!
Polietileno de alta e baixa densidade (HDPE e LDPE)
Politetrafluoretileno (PTFE)
Poliamidas (náilons)
= 0,1 a 0,5
4.4- Atrito em não metais
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4.4- Atrito em não metais
Lembrando: μ = μAdesivo + μDeformação
Componente de deformação (μdef.):
Pode-se escrever que:
Onde: representa a fração da energia dissipada no
processo (aquecimento)
Esfera rolando
sobre um polímero
Lubrificante
𝐹 =𝛽𝑊
𝜋cot(𝛼)
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4.4- Atrito em não metais
Componente de adesão (μAdesão):
Assumindo:
• Superfícies lisas (def. desprezível);
• F = FAdesão
Coe
f. de
atr
ito
Carga, N
Variação do μ com a carga normal W (cilindros de PMMA)
Para W < WCrítico:
Área de contato é uma pequena fração da área
total
Área de contato é proporcional à carga normal
Para W < WCrítico:
Área de contato não é proporcional à carga normal
P/ asperidades esféricas (def. elástica) A W2/3
μ A/W W2/3/W W-1/3
Na prática: expoente -¼
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• Discordâncias não se movimentam em cerâmicas cristalinas –
baixíssima ou nenhuma deformação plástica!!!
• Nenhuma discordância em cerâmicas amorfas (i.e. vidros)
Movimento de discordâncias colocaria cargas iguais
muito próximas – não acontece!
- + + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + +
- - - -
- - - -
- - - -
-
-
- - - - -