Os fenômenos tribológicos vem sendo estudados desde a época dos egípcios, pois havia a necessidade de se fazer uma superfície deslizar sobre a outra, com o menor esforço possível. Desde então há uma busca por aliviar o arraste entre as superfícies, porém nos processos de corte com formação de cavacos, existe a real necessidade deste atrito entre as superfícies, para que ocorra a remoção do material. Os estudos tribológicos procuram desvendar os fenômenos que ocorrem nas regiões e superfícies de contato dos materiais que estão realizando o movimento.
Estudos de Bowden e Tabor (1964) definiram que a superfície em contato não é geometricamente perfeita, e nestas condições a força normal aplicada é distribuída ao longo dos picos de rugosidade, que estão sujeitos à deformação, ou seja, a área real de contato é dependente da força aplicada, mas independente da área aparente de contato. Nestas condições, quando as superfícies recém-formadas entram em contato, pode ocorrer o fenômeno de adesão, fazendo com que seja aumentando o atrito e provocada a deformação plástica do material com menor dureza.
Como é praticamente “impossível” de se evitar o contato entre superfícies em movimento relativo, os fenômenos de atrito e desgaste têm um grau de importância muito elevado em quase todas aplicações de engenharia, o que resulta a grande necessidade de serem quantificados ou controlados, (CANGUNDO, 2009).
O tipo de deformação que ocorre (elástica, elasto-plástica, plástica) durante o contato de superfícies depende do valor da carga normal aplicada, da microgeometria e das propriedades dos materiais que estiverem em contato. Vários pesquisadores da área (THOMAS, 1999. BURAKOWSKI e co-autores, 1999), concluíram que a força de atrito depende, das propriedades específicas dos materiais envolvidos e da área de contato estabelecida entre ambas as superfícies.
Durante o movimento relativo entre os materiais, em muitos casos as propriedades podem sofrer modificações em relação ao seu estado original. Isso pode ocorrer por diferenças entre a área real e a aparente, ou pelo fato de o perfil de rugosidade apresentar variações dos gradientes de dureza, promovidos pelo fenômeno de encruamento causado pela deformação plástica dos materiais. A diferença entre a área real e a aparente pode ainda ser atribuída à existência de partículas estranhas aos materiais em interação, como camadas de
óxidos, existência de bolsas de gás ou líquido, condensação de vapores, impurezas sólidas, etc. (CANGUNDO, 2009).
Existem vários mecanismos de atrito, sendo que a sua predominância depende das particularidades do sistema em análise. Segundo Lenard (2002) apud Cangundo (2009), as causas mais frequentes do atrito são a deformação elástica e plástica dos picos de rugosidade, a deformação elástica e plástica devido à formação dos cavacos, o fenômeno de adesão e a deformação ou fratura das camadas superficiais de óxidos acima da zona de deformação plástica (sólidos, líquidos ou gasosos).
O fenômeno de adesão (figura 11a) ocorre normalmente em ambiente de vácuo e no contato entre superfícies muito limpas ou recém-formadas. De acordo com Holmberg e co- autores (2009), quando duas superfícies rugosas entram em contato sob pressões elevadas, surgem pequenas micro-soldaduras, que se rompem devido ao movimento relativo entre as superfícies de contato, a tensão de corte resultante provoca uma resistência ao movimento, esse processo ocorre continuamente. As deformações plástica e elástica dos picos de rugosidade são causadas pela elevada pressão que se desenvolve na interface de contato, tendo os picos de maior dureza uma ação predominante sobre a deformação da superfície mais macia (figura 11c).
Figura 11 - Mecanismos básicos de atrito: a) Adesão; b) Formação de micro rebarba e c) Deformação de asperezas (elástica e plástica).
Fonte: Adaptado de Holmberg e co-autores, (2009).
A formação de pequenas rebarbas (figura 11b), ocorre devido à presença de impurezas na superfície de contato, geralmente com dureza superior à dos materiais envolvidos no contato, essas rebarbas, podem comportar-se como uma ferramenta de corte.
Esta ação tem como resultado, a formação de estrias na superfície menos dura. e/ou o arrastamento do material ao longo da superfície.
Apesar de ser estudado desde a antiguidade o atrito entre superfícies em movimento relativo ainda necessita de muitos esclarecimentos, visto que muitos fatores atuam de forma combinada, conforme mostrado na figura 12, onde são efetuadas a representação das forças de corte (Fc), originadas pelo atrito consequente do carregamento normal (FN) (figura 12a). E a correspondência interdisciplinar dos fenômenos do atrito e desgaste no corte por arranque de cavacos (figura 12b) . Seu estudo requer conhecimentos multidisciplinares, como mecânica dos fluidos, mecânica dos sólidos, ciência dos materiais, física, química, termodinâmica e mecânica da fratura.
Figura 12 - Esquema do contato entre a superfície da peça e a ferramenta de corte com um regime de tensão variável ao longo da face de ataque.
Fonte: Adaptado de Cangundo, (2009).
Ao longo das pesquisas, e com o trabalho experimental, foram obtidas algumas constatações, as quais são expressas a seguir:
x a força de atrito atua sempre na direção oposta do movimento relativo entre as duas superfícies;
x a força de atrito é diretamente proporcional à força normal aplicada ao contato; x a força de atrito é independente da área nominal de contato.
Desde Leonardo Da Vinci (1452 – 1519), busca-se através de experimentos quantificar e representar com fidelidade o fenômeno do atrito. A consideração adequada da área de contato, da força normal aplicada, e da direção do escoamento de material, requer a utilização de modelos de atrito, os mais realistas possíveis. Existem fundamentalmente três leis de atrito, com foco nos processos de corte e deformação plástica. Estas leis podem ser generalizadas como:
x Lei de Amonton-Coulomb (Teoria das Asperezas); x Lei de Prandtl (Teoria da Adesão);
x Lei de Wanheim-Bay (Modelo Misto).
Nos estudos desenvolvidos por Bowden e Tabor (1964) a deformação de cada impureza presente na superfície de contato é considerada de forma isolada. Nos processos de corte e deformação plástica, a pressão na interface entre a peça e a ferramenta, é elevada fazendo com que os picos de rugosidade se deformem e consequentemente entrem em contato entre si.