Aula desgaste Otto

TRIBOLOGIA

POLÍMEROS

ATRITO E DESGASTE

TRIBOLOGIA

Ciência que estuda

Objetivo de entender as interações entre os materiais em contato podendo, assim, maximizar a sua aplicação

desgaste de superfícies de materiais de engenharia.

o atrito,

Três principais áreas onde a aplicação de princípios tribológicos

leva a redução dos custos



Aumentar

a redução de manutenção dos custos de reposição;



Evitar

limitando conseqüentes perdas de produção;



Reduzir

Resistência à fricção – atrito ou deslizamento

Quando os polímeros deslizam sobre outros materiais (metálicos ou não) chamados rígidos

o atrito tende a ser determinado pelas propriedades do material polimérico.

Comportamento quanto ao atrito não deve excluir a contribuição das características das superfícies (mecânicas, térmicas e físico-químicas)

F

oposta à força de deslizamento e depende do acabamento da superfície do material.

Carga (N)

coeficiente de atrito excepcionalmente baixo (abaixo de 0,02) em quase todas as composições,

independente da adição ou não de lubrificante.

entre 0,2 e 0,8

Resistência à fricção – atrito ou deslizamento

 - maioria dos plásticos

F

F

F

F

C

C

n

As borrachas macias têm coeficiente de atrito alto (4 ou mais).

A facilidade com que essas cadeias deslizam umas sobre as outras irá influenciar as propriedades mecânicas frente ao desgaste e o valor do coeficiente de atrito desses materiais.

Quando é aplicada sobre um polímero uma tensão ....

Mecanismo de atrito em polímeros

distribui entre as suas cadeias moleculares emaranhadas, provocando um deslizamento entre as mesmas

Mecanismo de atrito em polímeros

Deslizamento de uma aspereza dura contra uma superfície polimérica:

zona interfacial - espessuras de 10 nm da superfície do

polímero.

adesão e de deformação

O atrito entre polímeros dois mecanismos principais

região - mecanismo de adesão (zona interfacial) e de deformação (zona coesiva).

relação com a força necessária para romper (cisalhar) as junções formadas no contato devido à atuação destas forças ou

movimentar as cadeias poliméricas em regiões subsuperficiais

Mecanismo de atrito em polímeros

Componente de adesão

forte dependência com a rugosidade do contra-superfície.

Mecanismo de deformação

Processo envolve dissipação completa de energia em volta da área de contato, provocando sulcamento.

Mecanismo de dissipação

de energia no

deslizamento de polímero

contra superfície rígida

 Forças de adesão conduzem

processo interfacial de dissipação de energia

 Componente de deformação

 Responsáveis classe de mecanismo de desgaste

 Fenômenos:

Sub-superficiais ou desgaste por abrasão Superficiais ou desgaste por adesão

Comportamento ao atrito e desgaste para os plásticos



dependente de fatores relacionados às características do

agregado polimérico

morfologia das cadeias,

peso molecular e sua distribuição, grau de cristalinidade,

e orientação das cadeias



composição do material e reatividade química

estabilização e degradação, acabamento superficial



Parâmetros

Comportamento ao atrito e desgaste para os plásticos

o tipo de movimento, a velocidade relativa, o meio ambiente

 Cada uma deles tem um efeito significativo no tipo de desgaste e a taxa de desgaste de um componente.

o lubrificante a temperatura

Características do agregado polimérico

Morfologia das cadeias

 Macromoléculas – elevado grau de emaranhamento Revendo...

Tensão aplicada

distribui-se entre as cadeias

contato e posterior deslizamento



determinar com que facilidade uma molécula irá deslizar sobre a outra

Presença de grupos laterais aumentando o volume livre e

taticidade – maior emaranhamento – dificultando o movimento relativo.

Polietileno de alta densidade

H

H

H

H

C

C

n

Poliestireno – sem simetria

C

H

H

H

C

C

C

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

C

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

C

H

H

H

C

C

n

Peso molecular e sua distribuição

Peso molecular _{Emaranhamento entre macromoléculas}

A distribuição tensões

aplicadas envolve maior volume do sólido – mais pontos em contato

Aumento de  - menor deslizamento

melhoria da resistência ao processo de desgaste por abrasão

Distribuição PM relaciona-se com a presença de oligômeros livres que podem funcionar como lubrificante no movimento relativo entre as cadeias

Grau de cristalinidade e orientação das cadeias

Características do agregado polimérico

Função do processo de cristalização e da estrutura molecular do agregado

alterados pela a presença ou não de grupos laterais, sua quantidade e tamanho, taticidade, ramificações das cadeias, flexibilidade e o seu peso molecular.

Várias Teorias – relação aumento da cristalinidade com comportamento a atrito e desgaste.

Aumento da dureza devido ao aumento do grau de cristalinidade

Diminuição da área real de contato entre as superfícies

Aumento nas tensões suportadas nos pontos de contato

taxas de desgaste maiores (maior coeficiente de atrito)

Porém, polímeros como o PTFE e PE

em função do deslizamento entre as macromoléculas ocorre seu alinhamento na direção do escorregamento

resultando na diminuição 

aumento do grau de cristalinidade para ambos

Grau de cristalinidade e orientação das cadeias

desgaste volumétrico PE para o PTFE

não existe um comportamento padrão no tocante ao atrito entre diferentes polímeros se relacionarmos a

morfologia das cadeias e as características do agregado polimérico

Composição do material e reatividade química

As características mecânicas dos materiais exercem forte influência quanto ao tamanho da área real de contato

Qualidade da adesão é função:





Polaridade das moléculas

influenciam nas forças de coesão entre as mesmas polímeros apolares apresentam menor coesão e o

escorregamento entre as cadeias se dá de maneira mais fácil que naqueles com grupos polares laterais

Movimentos relativos

Resistência ao desgaste de polímeros

 Fatores indicativos de resistência ao desgaste

 coeficiente de atrito

 taxa de desgaste (perda volumétrica / tempo)

Reduzindo o desgaste





 Polímeros auto-lubrificantes - poli-tetra-flúor etileno (PTFE -teflon), polietileno de ultra-alto peso molecular, acetais, os nylons, os poliimidas, entre outros.

Modificar o deslizamento entre moléculas altera as características do comportamento do atrito e desgaste

Plastificante – melhorar a processabilidade e resistência ao impacto

Objetivo – facilitar o escorregamento entre as cadeias e diminuir o coeficiente de atrito

é possível que com a diminuição dos valores de  haja melhora no comportamento ao desgaste mas isso pode implicar em queda no desempenho

Lubrificantes internos – poliamidas com óleos lubrificantes

Resistência ao desgaste de polímeros

 alta resistência ao desgaste – combinação de aditivos lubrificantes e fibras

 vidro, carbono e fibras aramidas são usualmente adicionadas como reforço aumentando o desempenho quanto ao desgaste.

 melhorar a resistência ao desgaste _{– adição de aditivos.}

adicionando-se 20% (p/p) de PTFE (teflon) no policarbonato, seu coeficiente de atrito diminui drasticamente.

a perda progressiva de material da superfície de um corpo sólido devido a ação mecânica, isto é, o contato e o movimento relativo entre este corpo e um contra-corpo sólido, líquido ou gasoso - (DIN 50320)

Tipos de processos de desgaste

Classificação :

último enfoque é complicado, pelo fato que mais do que um mecanismo pode estar operando ao mesmo tempo

Os quatro mecanismos básicos

 adesão;  abrasão;

 fadiga de superfície;  reação triboquímica.

 desgaste do tipo abrasivo mais encontrado - contribuindo com 50% em relação ao desgaste total existente.

Na indústria...

desgaste adesivo é o segundo

predominante - 15% do problema de desgaste industrial.

 35% - desgaste causado por erosão,

Processos de desgaste primários

Desgaste Abrasivo (Abrasão)

ocorre sob o movimento relativo entre um corpo duro e uma superfície mais mole que o

material

o corpo duro pode ser fraturado e a superfície mais mole pode ser trincada e/ou deformada e o material será removido da superfície, resultando perda de volume.

Desgaste Abrasivo (Abrasão)

 Pode ser caracterizado : com abrasão a dois corpos ou três corpos

 o primeiro ocorre quando um abrasivo desliza ao longo de uma superfície – lixamento, retifica, etc

 o segundo quando um abrasivo desliza entre uma superfície e outra - moagem, britagem, etc

 ou caso de partículas de desgaste, originadas por outros mecanismos

Desgaste Abrasivo (Abrasão)

Classificação de desgaste por abrasão

 prática industrial tem-se adotado uma classificação para o desgaste abrasivo, de acordo com a severidade das tensões envolvidas

 abrasão por goivagem ou sulcamento - envolve remoção da superfície pela ação de materiais abrasivos geralmente com dimensões grosseiras - condições de altas tensões e envolvendo impacto.

 abrasão por riscamento ou baixas tensões - a superfície desgastada é riscada pelo material abrasivo que, ao penetrar na superfície, promove a remoção de material.

 abrasão por moagem ou altas tensões - ocorre em equipamentos onde o material abrasivo é forçado a passar entre duas superfícies tensionadas

Micromecânismos de desgaste abrasivo

 formas de remoção de material e degradação microestrutural da superfície desgastada

 microssulcamento - ação de partícula abrasiva deformando plasticamente a superfície de um material (ou fase) dúctil, formando um sulco em seu trajeto

Micromecânismos de desgaste abrasivo

 formas de remoção de material e degradação microestrutural da superfície desgastada

 microcorte - formação de pequenos cavacos quando as tensões de cisalhamento, impostas pelo deslocamento da partícula abrasiva sobre a superfície, são suficientemente elevadas para a ruptura do material dúctil

Micromecânismos de desgaste abrasivo

 formas de remoção de material e degradação microestrutural da superfície desgastada

 microtrincamento - processo de fragmentação da superfície frágil, pela formação de crescimento de trincas, devido à ação da partícula abrasiva

A proporção de microssulcamento para microcorte

 depende do ângulo de ataque () das partículas abrasivas



quando

 > 

resulta

no destacamento do

material por microcorte.





(ângulo crítico)



 razão de microssulcamento para microcorte como uma função da razão do ângulo de ataque para o ângulo de ataque crítico

Exemplos morfologia desgaste – adesão e brasão

abrasão

Fadiga

O fenômeno da fadiga é um processo de falha gradativa de um componente submetido a uma solicitação mecânica cíclica (alternada, pulsante ou flutuante)

sua vida pode ser considerada praticamente infinita desde que as cargas solicitantes fiquem abaixo dos limites de resistência

estática do material constituinte. Componente solicitado estaticamente

Fadiga

Contudo na solicitação cíclica o componente pode falhar sob solicitação inferior a carga limite da solicitação estática. Ocorre subitamente e sem aviso prévio.

Pode resultar em trincas ou fratura completa após certo número de ciclos.

Responsável por 90% de todas as falhas de metais afetando também polímeros e cerâmicas.

Previsão da Vida sob Fadiga

... de um corpo de prova ou estrutura é o número de ciclos de tensão requerido para causar a fratura

... é aparentemente semelhante à fadiga dos metais, porém para polímeros a tensão limite de fadiga é independente da tensão aplicada.

O comportamento sob fadiga é mais complexo nos polímeros devido a:





Vida sob Fadiga - Polímeros

muito sensível à freqüência do ciclo de tensão (carregamento cíclico).

Vida sob condições de fadiga térmica é definida como o número de ciclos à uma dada tensão necessária para diminuir

o módulo aparente a um valor de 70% do valor original.

condutibilidade térmica, o calor gerado em cada ciclo não se dissipa, resultando em uma diminuição do modulo de

elasticidade

Eventualmente o material não pode mais suportar a carga e falha prematuramente.

Fadiga

Epoxies possuem alta densidade de crescimento de trincas de fadiga

Relação com grau de ligações cruzadas

alta resistência mecânica

porém, baixa resistência à fadiga Polímeros com alto grau densidade reticulação associados a

Fadiga

Peso

molecular

Aumenta a resistência da propagação de trincas de fadiga peso molecular - aumento de sua resistência à fadiga

Incorporação de uma fração de alto peso molecular O reforço de matrizes poliméricas com fibras também

aumentam sua resistência à fadiga

Sob altas tensões de fadiga, compósitos baseados em PEEK, PPS e PES são os que apresentam os maiores valores de limites de

Curva S-N típica de fadiga para plásticos

Mecanismo de Fadiga Superficial

Associado

particularmente importante em mancais de rolamento e é conhecido como "fadiga de contato por rolamento"

Formação ou a propagação de trincas em / ou abaixo da superfície solicitada

Devido a repetidos escorregamentos de asperezas duras através da superfície sólida

Exemplos morfologia desgaste - fadiga

Alto esforço mesmo a baixas cargas –

deformação plástica

intensa - material escoa.

Fenômeno de fadiga superficiais



altas deformações devido à concentração de tensão

superficial e sub-superficial; geradas pelas altas asperezas da superfície do polímero descrito pela remoção de material

Normas Abrasão

 Ensaios medem a habilidade do material resistir a abrasão quando submetido a materiais abrasivos

 Resultado – taxa de desgaste – massa g / n. ciclos  Abrasivo padrão – TABER

 grau padrão utilizado: CS-17, 1.000-g carga

 satisfatório desgaste em quase todos os polímeros  5000 ciclos

Normas Abrasão

 medida taxa de desgaste por perda de volume.

 medida efeitos abrasivos sobre características óticas

Normas Fadiga

 dados são apresentados – n. de ciclos que levam a fratura máximo nível de tensão.

 Ensaios fadiga:

 à flexão – equipamento produz amplitudes constantes em cada ciclo – força é alternada

 tração – carga é constante – movimento é tração e compressão

 Limite de fadiga em polímeros – 25 a 30% da resistência à tensão estática

Normas Fadiga

 compósitos orientados e de alto modulo para determinar as propriedades de fadiga em ciclos de tração-tração

 Determinação da fadiga de MATTIA E SCOTT – borrachas e plásticos