A.S.D’Oliveira
Desempenho de superfícies
Desgaste/Corrosão
A.S.D’Oliveira
Danos na superfície
2
3MATERIAIS
DESGASTE
MECANISMOS DE DESGASTE
metal-metal
metal-partículas duras
metal-fluido
abrasão
+ impacto
+ temperatura
+ meio agressivo
velocidade do fluido erosão abrasiva com partículas sem partículaserosão
abrasão com baixa tensão abrasão com elevada tensão abrasão com impacto por rolamento por deslizamento por pressãoabrasão
cavitação
“ impingment”
4MATERIAIS
DESGASTE
sem perda de material
com perda de material
com ganho de material
alterações
microestruturais
deformação
plástica com
mudança de
forma
trincamento
rasgamento
fratura frágil
fadiga
dissolução
produtos de
reações com
o ambiente
impregnação
com outros
materiais
DANOS
Com ganho
de massa
2
3
MATERIAIS
DESGASTE
MECANISMOS DE DESGASTE
metal-metal
metal-partículas duras
metal-fluido
abrasão
+ impacto
+ temperatura
+ meio agressivo
velocidade do fluido erosão abrasiva com partículas sem partículaserosão
abrasão com baixa tensão abrasão com elevada tensão abrasão com impacto por rolamento por deslizamento por pressãoabrasão
cavitação
“ impingment”
4
MATERIAIS
DESGASTE
sem perda de material
com perda de material
com ganho de material
alterações
microestruturais
deformação
plástica com
mudança de
forma
trincamento
rasgamento
fratura frágil
fadiga
dissolução
produtos de
reações com
o ambiente
impregnação
com outros
materiais
DANOS
2
3
MATERIAIS
DESGASTE
MECANISMOS DE DESGASTE
metal-metal
metal-partículas duras
metal-fluido
abrasão
+ impacto
+ temperatura
+ meio agressivo
velocidade do fluido erosão abrasiva com partículas sem partículas
erosão
abrasão com baixa tensão abrasão com elevada tensão abrasão com impacto
por rolamento
por deslizamento
por pressão
abrasão
cavitação
“ impingment”
4
MATERIAIS
DESGASTE
sem perda de material
com perda de material
com ganho de material
alterações
microestruturais
deformação
plástica com
mudança de
forma
trincamento
rasgamento
fratura frágil
fadiga
dissolução
produtos de
reações com
o ambiente
impregnação
com outros
materiais
DANOS
Com perda de material
Sem perda de material
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Superfície deve ser protegida de danos causados pela interação
com o meio
DESGASTE
Dano sofrido por uma superfície sólida, envolvendo atrito, com a
remoção ou a impregnação de material, devido ao CONTATO COM
MOVIMENTO RELATIVO, com outra superfície, ou com substâncias,
que podem ser sólidas, líquidas ou gasosas.
CORROSÃO
Fenômeno superficial que envolve a reação entre um MATERIAL e o
MEIO ao qual foi exposto, sem ou com SOLICITAÇÕES mecânicas,
durante tempo suficiente para que haja a DEGRADAÇÃO do material .
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Relação “genérica" entre desgaste e dureza
Seleção de Materiais
Ø Mas o que é desgaste?
Ø Como se relaciona com outras propriedades?
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http://www.daytonlamina.com/node/1114
http://www.metalformingmagazine.com/magazine/article.asp?aid=4778
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Ex: Materiais para
ferramentas desgaste vs
tenacidade
A dificuldade em quantificar as solicitações na superfície ( desgaste ou corrosão)
dificulta a elaboração de mapas de propriedades. Correlações especificas são
encontradas envolvendo um grupo especifico de materiais, frequentemente
associadas a divulgação de um produto.
Conhecimento das diferentes técnicas de processamento de
superfícies contribui para a eficácia do processo de seleção
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http://sb-specialty-metals.com/highlight-product-psb-22/
http://www.lehigh.edu/
~intribos/resources.html
Seleção de Materiais
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Desgaste
Dano sofrido por uma superfície sólida, envolvendo atrito, com a
remoção ou a impregnação de material, devido AO CONTATO COM
MOVIMENTO RELATIVO, com outra superfície, ou com substâncias,
que podem ser sólidas, líquidas ou gasosas.
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Ø
Designa-se por atrito a força tangencial a interface comum entre dois corpos
quando, sobre a ação de uma força externa, um dos corpos se move ou tende a
se mover relativamente a superfície do outro
Ø
Coeficiente de atrito é a relação adimensional entre a força de atrito entre dois
corpos e a força normal que comprime estes corpos.
µ = (Força Tangencial)/(Força Normal)
Ø
Atrito se refere a energia dissipada na interface entre corpos em movimento
ou com tendência a movimento.
Ø
Atrito nomeia o movimento relativo entre superfície
Atrito -
Resistência ao movimento de um corpo sobre o outro
Seleção de Materiais
O coeficiente de atrito (força, energia) não é uma propriedade
do material e sim uma resposta do sistema
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Previsão de vida ao desgaste
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Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo:
Deslizamento
Impacto
Rolamento
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Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo:
Deslizamento
Impacto
Rolamento
Temperatura
Impacto
Meio agressivo
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Tipos de contato abrasivo
Abrasão: “ a perda de massa resultante da interação entre partículas ou
asperezas duras que são forçadas contra uma superfície, o longo da qual
se movem” (ASTM G40-01)
Abrasão com
baixa tensão
Abrasão com
alta tensão
Seleção de Materiais
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Fig. 2 Five processes of abrasive wear
Plowing is the process of displacing material from a groove to the sides. This occurs under light loads and does not result in any real material loss. Damage occurs to the near surface of the material in the form of a build up of dislocations through cold work. If later scratches occur on this cold-worked surface, then the additional work could result in loss through microfatigue.
When the ratio of shear strength of the contact interface relative to the shear strength of the bulk rises to a high enough level (from 0.5 to 1.0), it has been found that a wedge can develop on the front of an abrasive tip. In this case, the total amount of material displaced from the groove is greater than the material displaced to the sides. This wedge formation is still a fairly mild form of abrasive wear.
The most severe form of wear for ductile material is cutting. During the cutting process, the abrasive tip removes a chip, much like a machine tool does. This results in removed material, but very little displaced material relative to the size of the groove. For a sharp abrasive particle, a critical angle exists, for which there is a transition from plowing to cutting. This angle depends on the material being abraded. Examples of critical angles range from 45° for copper to 85° for aluminum (Ref 3, 4). Abrasion is not dependent on scratches by carefully oriented abrasive grains. Kato (Ref 5) and others have analyzed the effect of a rounded tip pushing through a surface.
For ductile materials, the mechanisms of plowing, wedge formation, and cutting have been observed (Fig. 3). It was found that the degree of penetration was critical to the transition from plowing and wedge formation to cutting. When the degree
Mecanismos de desgaste abrasivo
of penetration, defined as depth of penetration divided by the contact area, exceeded about 0.2, cutting was the predominant mode of wear.
Fig. 3 Examples of three process of abrasive wear, observed using a scanning electron microscope. (a) Cutting.
(b) Wedge formation. (c) Plowing. Source: Ref 5
When an abrasive grain abrades while cutting a surface, the maximum volume of wear that can occur is described by:
W = Ad (Eq 1)
where W is the volume of material removed, A is the cross-sectional area of the groove, and d is the distance slid. The cross-sectional area of the groove A is dependent on the abrasive grain shape and the depth of penetration, p:
A = k1p (Eq 2)
where k1 is constant-dependent on the shape. In turn, the depth of penetration, p, is again dependent on the shape of the
grain; the load, L; and the hardness, H, of the material:
(Eq 3)
Many factors affect k1: the possibility of plowing rather than cutting; the abrasive grain may roll and avoid wear; the
abrasive grain may break down and not be effective during the latter part of its contact path; and others. Equation 1, 2, and 3 can be combined, forming:
(Eq 4)
This is commonly known as Archard's equation (Ref 6), which was derived for adhesive wear but has proven very useful in abrasive wear, as well. Factors affecting k3 are addressed below.
Commonly, materials are described as having good or bad wear resistance, R, which is simply defined as the reciprocal of wear volume:
(Eq 5)
Brittle materials have an additional mode of abrasive wear, namely, microfracture. This occurs when forces applied by the abrasive grain exceed the fracture toughness of the material. This is often the predominant mode of severe wear for the ceramic materials, and is active in materials such as white cast irons.
of penetration, defined as depth of penetration divided by the contact area, exceeded about 0.2, cutting was the predominant mode of wear.
Fig. 3 Examples of three process of abrasive wear, observed using a scanning electron microscope. (a) Cutting.
(b) Wedge formation. (c) Plowing. Source: Ref 5
When an abrasive grain abrades while cutting a surface, the maximum volume of wear that can occur is described by:
W = Ad
(Eq 1)
where W is the volume of material removed, A is the cross-sectional area of the groove, and d is the distance slid. The cross-sectional area of the groove A is dependent on the abrasive grain shape and the depth of penetration, p:
A = k
1p
(Eq 2)
where k1 is constant-dependent on the shape. In turn, the depth of penetration, p, is again dependent on the shape of the
grain; the load, L; and the hardness, H, of the material:
(Eq 3)
Many factors affect k1: the possibility of plowing rather than cutting; the abrasive grain may roll and avoid wear; the
abrasive grain may break down and not be effective during the latter part of its contact path; and others. Equation 1, 2, and 3 can be combined, forming:
(Eq 4)
This is commonly known as Archard's equation (Ref 6), which was derived for adhesive wear but has proven very useful in abrasive wear, as well. Factors affecting k3 are addressed below.
Commonly, materials are described as having good or bad wear resistance, R, which is simply defined as the reciprocal of wear volume:
(Eq 5)
Brittle materials have an additional mode of abrasive wear, namely, microfracture. This occurs when forces applied by the abrasive grain exceed the fracture toughness of the material. This is often the predominant mode of severe wear for the ceramic materials, and is active in materials such as white cast irons.
of penetration, defined as depth of penetration divided by the contact area, exceeded about 0.2, cutting was the predominant mode of wear.
Fig. 3 Examples of three process of abrasive wear, observed using a scanning electron microscope. (a) Cutting.
(b) Wedge formation. (c) Plowing. Source: Ref 5
When an abrasive grain abrades while cutting a surface, the maximum volume of wear that can occur is described by:
W = Ad
(Eq 1)
where W is the volume of material removed, A is the cross-sectional area of the groove, and d is the distance slid. The cross-sectional area of the groove A is dependent on the abrasive grain shape and the depth of penetration, p:
A = k
1p
(Eq 2)
where k1 is constant-dependent on the shape. In turn, the depth of penetration, p, is again dependent on the shape of the
grain; the load, L; and the hardness, H, of the material:
(Eq 3)
Many factors affect k1: the possibility of plowing rather than cutting; the abrasive grain may roll and avoid wear; the
abrasive grain may break down and not be effective during the latter part of its contact path; and others. Equation 1, 2, and 3 can be combined, forming:
(Eq 4)
This is commonly known as Archard's equation (Ref 6), which was derived for adhesive wear but has proven very useful in abrasive wear, as well. Factors affecting k3 are addressed below.
Commonly, materials are described as having good or bad wear resistance, R, which is simply defined as the reciprocal of wear volume:
(Eq 5)
Brittle materials have an additional mode of abrasive wear, namely, microfracture. This occurs when forces applied by the abrasive grain exceed the fracture toughness of the material. This is often the predominant mode of severe wear for the ceramic materials, and is active in materials such as white cast irons.
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Fig. 7 Effect of orientation, size, elastic modulus, hardness, and brittleness of second phase on abrasive wear.
Source: Ref 14
It has been found that a reinforcing second phase lying parallel to the surface is more easily removed than one that is
anchored perpendicular to the surface. Also, when the size of the second phase is small relative to the abrasive groove
depth, the second phase has little or no beneficial effect. Because most reinforcing additions have a high modulus of
elasticity, a matrix with a low modulus will tend to debond at the interfaces and lead to pull-out and abrasive loss. In
some metals, such as alloyed white cast irons, if the second phase is harder than the matrix, then the hard phase will
protect the matrix. Lastly, brittle materials tend to crack and chip to a larger area than the cross section of the abrasive
grain doing the damage. An impressive amount of current research on wear-resistant materials is focusing on advanced
composites.
Effect of Environment on Abrasive Wear
In addition to the properties of a material, the environment affects wear. As stated earlier, abrasion loss rates are not
intrinsic to a material. Environmental factors that effect abrasive loss include, but are not limited to: the type of abrasive
and its characteristics, temperature, speed of contact, unit load of the abrasive on the material, humidity, and corrosive
effects, each of which is discussed below.
Abrasive.
In the simple model of abrasive wear previously developed, differences in abrasives have been included in the
constant and mostly ignored. However, changing the abrasive will change the wear rate. The effect of critical angle has
already been discussed, but other abrasive characteristics will also contribute. Among these are hardness, toughness, and
size of the abrasive.
The hardness of the abrasive particles is important to the rate of abrasion of the subject material. As the hardness of the
abrasive exceeds that of the wear material, abrasive wear typically becomes much worse (Ref 15, 16), as shown in Fig. 8.
As the abrasive hardness exceeds the hardness of the material, it is able to penetrate the surface and cut/remove material
without having its cutting edges broken or rounded.
DESGASTE ABRASIVO: Efeito da orientação, dimensão, E, dureza, fragilidade
das particulas de segunda fase
Seleção de Materiais
Au
me
nt
o
da
s
pe
rd
as
co
m
de
sg
ast
e
A.S.D’Oliveira
Variáveis que afetam a abrasão, além das variáveis mecânicas
a) Dureza do abrasivo - A dureza é mais importante na transição entre
desgaste moderado e severo
b) Tamanho de grão do abrasivo - O aumento do tamanho de grão é mais
importante para grãos pequenos
c) angularidade do abrasivo - Particulas mais angulosas
intensificam a abrasão uma vez que cada vez mais o microcorte se
intensifica em relação ao microssulcamento
Abrasão
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Fretting (wear): “ Fenômeno de desgaste que ocorre entre duas
superfícies que tem movimento oscilatório pequena amplitide”
ASM Metals Handbook
Fadiga de contato ou desgaste por rolamento: “
Desgaste de uma superfície sólida decorrente do contato
por rolamento entre a superfície e outra superfície ou
superfícies sólidas”
ASM Metals Handbook
Desgaste por deslizamento: “As expressões desgaste por
deslizamento ou desgaste adesivo se referem ao tipo de desgaste
gerado pelo escorregamento de uma superfícies sólida ao longo de
outra superfície”
ASM Metals Handbook
Outros mecanismos de desgaste
2
3
MATERIAIS
DESGASTE
MECANISMOS DE DESGASTE
metal-metal
metal-partículas duras
metal-fluido
abrasão
+ impacto
+ temperatura
+ meio agressivo
velocidade do fluido erosão abrasiva com partículas sem partículas
erosão
abrasão com baixa tensão abrasão com elevada tensão abrasão com impacto
por rolamento
por deslizamento
por pressão
abrasão
cavitação
“ impingment”
4
MATERIAIS
DESGASTE
sem perda de material
com perda de material
com ganho de material
alterações
microestruturais
deformação
plástica com
mudança de
forma
trincamento
rasgamento
fratura frágil
fadiga
dissolução
produtos de
reações com
o ambiente
impregnação
com outros
materiais
DANOS
Seleção de Materiais
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19
Quando se conhece exatamente o tipo de solicitação em desgaste ao
qual o material será submetido é possivel usufruir de informação já
sistematizada:
• desgaste metal x metal exige materiais uniformes e duros
(martensíticos, ligas de níquel)
• desgaste abrasivo requer materiais reforçados com partículas
duras (carbetos de Cr, de W, etc.)
• desgaste erosivo requer materiais com elevada taxa de
encruamento ou baixa energia de falha de empilhamento (inoxidável
austenítico)
• desgaste com corrosão requer materiais resistentes à corrosão
(ligas de Ni e Co)
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Tx. Desgaste x Carga Aplicada0,00E+00 1,00E-13 2,00E-13 3,00E-13 4,00E-13 5,00E-13 6,00E-13 7,00E-13 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Carga Aplicada (kgf) T x. D es g as te (m 3 /s) 1200 °C 1000 °C 650 °C As deposited
Estabilidade a alta temperatura (liga NiCrMo)
Como
depositada
650ºC
1000ºC
130A
150A
170A
Seleção de Materiais
Karin Graf, Dissertação Mestrado 2004, UFPR
1200C
1000C
650C
Como
depositada
A.S.D’Oliveira
!
!
