UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL - UNIJUI
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA – CAMPUS PANAMBI
EDIMAR DESSBESELL
ESTUDO E PROJETO DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE DESGASTE ABRASIVO EM METAIS
Panambi 2017
EDIMAR DESSBESELL
ESTUDO E PROJETO DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE DESGASTE ABRASIVO EM METAIS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Herbert Tunnermann
Panambi 2017
UNIJUÍ- Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng- Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica- Campus Panambi
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
ESTUDO E PROJETO DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE DESGASTE ABRASIVO EM METAIS
Elaborado por
EDIMAR DESSBESELL
Como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca examinadora
Prof. Esp. Eng. Edomir Marciano Schmidt
Prof. Esp. Eng. Herbert Tunnermann – Orientador
“Dedico este trabalho primeiramente а Deus, pois sempre esteve comigo, autor de meu destino, meu guia, refúgio e fortaleza, socorro bem presente na hora da angústia, também а minha esposa Vanessa e minha filha Hadassa meus grandes amores”.
AGRADECIMENTOS
Neste momento de grande alegria e satisfação, venho agradecer a todos que fizeram parte desta conquista, abdiquei-me de muitas outras atividades as quais sei que foram muitas vezes lembradas por não me ter feito presente, pessoas especiais que amo, lembraram-se de muitas formas colocando-me em orações, a mim e minha família, e hoje é com alegria que posso agradecer a todos pois sei que tem um pouco de cada um nesta conquista.
Agradeço a minha esposa Vanessa, que assim como eu não via a hora em que esse momento chegasse, sempre lutou e apoiou-me em todos os momentos, também minha filha Hadassa, que todos os dias me aguardava ansiosa para termos um momento de diversão juntos, e por muitas vezes quer ajudar-me em meus estudos.
Quero agradecer ao Professor orientador Herbert Tunnermann, que permitiu desenvolver esse trabalho agregando-me com seu conhecimento, e uma ótima orientação. Também a professora e coordenadora do curso Patrícia Carolina Pedralli por oportunizar a realização deste projeto para fabricação de máquina de ensaio que tem finalidades acadêmicas na instituição UNIJUÍ.
De forma especial também venho agradecer toda minha família meu pai Erno e minha mãe Suely que sempre me auxiliaram e apoiaram em todos os momentos, a minha irmã Elaine e cunhado Jean que foram um alicerce, pelos quais tenho uma eterna gratidão pelo auxilio e carinho que sempre demonstraram, a minha irmã Eliane que não mediu esforços para com amor nos auxiliar em momentos delicados da vida, ao meu irmão Edenir por mostrar que na vida existem pontos de partida e também momentos de grandes mudanças, que mudar em Cristo Jesus vale apena, também meu sogro Arno e sogra Brunhilde pelo carinho atenção e compreensão.
E por fim agradeço aquele que merece toda a honra e glória, ao qual sempre sustentou e apoiou-me com suas palavras, a ti Deus pai agradeço por ter me concedido graça, força, amor e infinita misericórdia, obrigado por mais essa vitória.
RESUMO
Este trabalho segue uma linha de pesquisa direcionada ao estudo e elaboração do projeto de uma máquina de ensaios dos fenômenos de desgaste por abrasão em metais, direcionando-se para desenvolvimento do projeto da máquina que tem a finalidade de avaliar a abrasão em metais sujeitos a fenômenos do tipo. Demonstra firmemente seu princípio de funcionamento, ao qual promove o riscamento no corpo de prova através do pressionamento a uma roda revestida de borracha em rotação, entre o corpo de prova e a roda, mais o fluxo continuo de areia abrasiva que escoa entre meio. O projeto tem finalidades acadêmicas de estudo e usa como base de dados para concepção a norma American Society for Testing and Materials (ASTM), ASTM G65-16, (Sociedade Americana de Testes e Materiais) que descreve particularidades para a construção da máquina, apresenta-se de forma sucinta os componentes necessários, a forma construtiva e parâmetros observados que devem ser considerados para promover projeto de máquina funcional, que atue com qualidade após fabricada.
Palavras-chave: Máquina de ensaio; Abrasão em Metais; Norma ASTM G65-16; Projeto.
ABSTRACT
This work follows a line of research directed to the study and elaboration of the design of a machine of tests of the phenomena of wear by abrasion in metals, being directed to the development of the design of the machine that has the purpose of evaluating the abrasion in metals subject to phenomena of the type. It firmly demonstrates its operating principle, which promotes scratching on the specimen by pressing a rotating rubber-coated wheel between the specimen and the wheel, plus the continuous flow of abrasive sand flowing in between. The project has academic purposes of study and uses ASTM G65-16 as a database for designing the American Society for Testing and Materials (ASTM), which describes the particularities of the construction of the machine, summarizes the necessary components, the constructive form and observed parameters that should be considered to promote functional machine design, which acts with quality after fabrication.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Imagem ilustrativa de máquinas e equipamentos expostos ao desgaste. .. 15
Figura 2. Vazamento de produto causado pelo desgaste prematuro da canalização. ... 15
Figura 3: Presença da força de atrito 𝑭a na interface de corpos em contato sem movimento relativo. ... 19
Figura 4: Mecanismos de Atrito. ... 21
Figura 5: Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces. ... 23
Figura 6: Situações de desgaste Abrasivo. ... 24
Figura 7: a) Aparência da superfície abrasiva antes e depois do trabalho de desgaste, mostrando o arredondamento das asperezas; b) Superfície abrasiva entupida de fragmentos de desgaste. ... 25
Figura 8: Diagrama esquemático do aparelho de teste ... 28
Figura 9: Exemplos de morfologia da cicatriz de desgaste do teste de roda de borracha e areia seca. ... 28
Figura 10: Diagrama esquemático do aparelho de teste de desgaste. ... 30
Figura 11: Diagrama do teste do pino em disco e seções transversais das formas do pino usadas com este tipo de teste. ... 31
Figura 12: Diagrama do teste do desgaste de cilindro cruzado... 32
Figura 13: Detalhamento da parte interna do aparelho de ensaio... 34
Figura 14: Aparelho de teste de abrasão de roda de borracha e areia seca conforme Norma. ... 42
Figura 15: Roda de borracha ... 44
Figura 16: Cicatrizes de desgaste típico (EVEN SCAR), ... 45
Figura 17: 25 x Ampliação AFS 50/70 teste de areia ... 46
Figura 18: Posição do Bocal de Areia ... 47
Figura 19: Bocal de fluxo de Areia ... 48
Figura 20: Fluxo de Areia ... 49
Figura 21: Fluxo de areia Turbulento ... 49
Figura 22: Ferramenta de limpeza de roda típica ... 54
Figura 24: Base para cálculo do peso atuador no braço ... 59
Figura 25: Fatores Kf e Kt, levam em conta as cargas dinâmicas. ... 62
Figura 26: Dados para projeto do eixo. ... 63
Figura 27: Detalhamento da estrutura do quadro, a) Vista de trás, b) Vista de frente. ... 66
Figura 28: Detalhamento do sistema de alimentação abrasivo. ... 67
Figura 29: Detalhe do sistema de fluxo e direcionamento do abrasivo. ... 68
Figura 30: Motoredutor selecionado para projeto. ... 70
Figura 31: Detalhamento da Roda revestida de borracha. ... 71
Figura 32: Detalhamento do conjunto de transmissão sem o motoredutor. ... 71
Figura 33: Especificações do acoplamento. ... 72
Figura 34: Detalhamento do braço alavanca com suporte da amostra. ... 73
Figura 35: Sistema de isolamento ... 74
Figura 36: Detalhamento do conjunto final a) Vista frontal explodida, b) Vista de trás. ... 76
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Materiais apropriados e usados como Abrasivos ... 26
Tabela 2: Materiais Resistentes à Abrasão ... 26
Tabela 3: Procedimento A (perda de volume mm3) ... 41
Tabela 4: Procedimento B (perda de volume mm3) ... 41
Tabela 5: Fórmula para borracha de clorobutilo ... 43
Tabela 6: Fórmula para borracha de Neoprene ... 43
Tabela 7: Tipo de peneiras ... 46
Tabela 8: Parâmetros de teste ... 50
Tabela 9: Folha de Dados Fonte: Adaptado de ASTM G65-16 (2016, p.10) ... 56
Tabela 10: Faixa de Perda de Volume ... 56
Tabela 11: Estudo (ILS) realizado com roda de borracha de Neoprene em D2, H13, e em Carbide Composto. ... 57
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 JUSTIFICATIVA ... 14 1.2 OBJETIVOS ... 16 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 17 2.1 TRIBOLOGIA ... 17 2.2 ATRITO ... 18
2.2.1 Força de atrito estática ... 19
2.2.2 Força de atrito cinética ... 20
2.3 O FENÔMENO DE DESGASTE ... 22
2.3.1 Desgaste abrasivo ... 24
2.4 MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DE DESGASTE ... 27
2.4.1 Teste de abrasão usando a areia seca e roda de borracha ... 27
2.4.2 Teste de abrasão com areia molhada e roda de borracha ... 29
2.4.3 Teste de desgaste do pino no disco ... 30
2.4.4 Teste de desgaste de cilindro cruzado ... 32
2.5 SELEÇÃO DE MÁQUINA DE ENSAIO PARA O PROJETO ... 33
2.6 ESPECIFICAÇÕES RELEVANTES A MÁQUINA DE ABRASÃO A AREIA SECA E RODA DE BORRACHA ... 34
2.6.1 Precisão, tendência e estatísticas do ensaio a Abrasão ... 36
2.6.2 Aparelhos e materiais... 41
2.6.3 Preparação e amostragem de amostras ... 50
2.6.4 Parâmetros de teste... 51
2.6.5 Procedimento do ensaio ... 52
2.6.6 Cálculo e relatório de resultados ... 54
3 MÉTODO DE CONCEPÇÃO DO PROJETO ... 58
3.1 BASE DE CÁLCULO ... 58
3.1.1 Peso no braço de alavanca ... 59
3.1.2 Definição do eixo ... 61
4 PROJETO CONCEITUAL E DETALHADO ... 65
4.1 SISTEMA ESTRUTURAL ... 65
4.2 SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE ABRASIVO ... 67
4.4 SISTEMA DE TRANSMISSÃO E RODA DE BORRACHA ... 69
4.5 FIXAÇÃO DO CORPO DE PROVA E BRAÇO DE ALAVANCA ... 72
4.6 SISTEMA DE ISOLAMENTO E CONJUNTO FINAL ... 74
4.6.1 Sistema de isolamento ... 74
4.6.2 Conjunto final ... 75
5 CONCLUSÃO ... 78
REFERÊNCIAS ... 79
1 INTRODUÇÃO
Os produtos de alta qualidade, tecnológicos e boa eficiência geram cada vez mais investimentos, isso dá-se ao grande crescimento na atualidade das áreas de pesquisa e desenvolvimento, vindo-se a ser fomentado ao índice de competitividade no mercado dos consumidores.
Na atualidade quem não inovar em produtos com qualidade e preço competitivo certamente perderá o mercado, investir em novas tecnologias que gerem maior garantia e satisfação ao consumidor tem sido o maior desafio nas empresas. Para isso acontecer deve-se ter a ampliação do conhecimento, fato que tem colaborado é a aplicação da transfusão do conhecimento e tecnologia entre universidades e centros de pesquisa para dentro das empresas, tudo isso para melhorar a eficiência e a qualidade do produto que está sendo adquirido pelo cliente.
Para desenvolver áreas a fins exige-se mais de engenheiros com o potencial de colocar em prática os conhecimentos adquiridos, a fim de atender uma das dificuldades encontradas na atualidade, principalmente tratando-se da questão de materiais que resistam aos fenômenos abrasivos ao qual estão sujeitos em suas diversas aplicações.
Um termo de origem grega, conhecido por tribologia, reúne os conhecimentos adquiridos na mecânica, na física, na química, e na ciência dos materiais. Para explicar e prever o comportamento de sistemas físicos que são utilizados em sistemas mecânicos, vai além de meros conhecimentos básicos, une-se a área de aplicação prática, as quais geram fenômenos muito conhecidos como atrito e desgaste.
O desenvolvimento deste trabalho apresenta um estudo direcionado a tribologia e seus fenômenos, método de estudo que a define, usa como base a norma American
Society for Testing and Materials (ASTM), a norma ASTM G65 que delimita pontos
que devem ser considerados no projeto como, motor, sensores de revolução, dimensionamento do braço da alavanca, força de compressão no corpo de prova, dimensão de corpo de prova, parâmetros, materiais abrasivos, procedimentos de ensaio, resultados, entre outros.
Procura-se atender a metodologia dando ênfase aos conceitos de abrasão em materiais e nas especificações das normas, nos conceitos de projetos e também em pesquisas de métodos de ensaios existentes, buscando a elaboração do projeto de uma máquina de ensaios em metais para obtenção dos resultados teóricos.
1.1 JUSTIFICATIVA
A tecnologia vem avançando de forma extraordinária no decorrer dos anos. Para explicar de fato, o que vem fomentando ainda mais o desejo de aprimorar tudo, de certa forma baseia-se no ato de transformar o que já existe em produtos de qualidade. Pode-se avaliar que se está mais ligado com os materiais do que realmente nota-se. Os materiais estão provavelmente mais entranhados na cultura do que se imagina. Transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produção de alimentos, virtualmente cada seguimento de nossas vidas diárias é influenciado em maior ou menor grau pelos materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades têm estado intimamente ligados ás habilidades dos seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer as suas necessidades. De fato, as civilizações antigas foram designadas pelo nível de seu desenvolvimento em relação aos materiais (CALLISTER, 2002, p2).
O momento em que se vive se observa um crescimento em áreas de pesquisa e desenvolvimento, a forma de pensar madura com relação ao futuro, mão de obra barata recursos naturais e dados sem forma de comprovação cientifica não são mais sinônimos de competitividade, para entrar na grande competição é necessário apresentar dados favoráveis que comprovem a qualidade e eficiência do material ensaiado, para assim usá-lo seguramente nos projetos realizados.
No ímpeto de atender uma solicitação de ensaios de materiais a abrasão, o aluno busca o desenvolvimento e o interesse em áreas afins para estudo e trabalhos acadêmicos, onde se faz necessário o desenvolvimento de máquina de ensaio. Busca-se realizar um projeto a partir do estudo, para atender os problemas diversos de desgastes por abrasão que se encontra na área de metais os quais sofrem a perda progressiva na superfície por movimentação. O foco deste trabalho é testar materiais metálicos diversos de diferentes durezas fazendo assim com que ocorra a abrasão ou desgaste no metal para sua avaliação.
O desgaste nos componentes e dos materiais de equipamentos industriais é um agente que frequentemente atinge os sistemas de engenharia, e também de certa forma negligenciado em alguns projetos. Quando não levado em consideração os fatores de desgaste, a chance de ter grandes prejuízos financeiros é inevitável, principalmente fenômenos que auxiliam no desgaste que não foram previstos, a
ocorrência da substituição precoce dos componentes é muito mais frequente, e torna-se algo indetorna-sejável.
Considerações que devem ser avaliadas como justificativa na realização deste projeto, podem ser identificadas nas seguintes situações:
• Dentes de caçambas que trabalham em lugares onde há areia, rochas ou argila seca.
• Lâminas niveladoras, arados raspadores e peneiras vibratórias. • Máquinas agrícolas.
• Equipamentos de escavação,
• Transportadores, na indústria de açúcar e álcool, de mineração, siderúrgicos, etc.
• Elevadores de cereais, canalizações, etc.
Com base na Figura 1 e Figura 2, pode-se observar algumas das áreas que ocorre o desgaste por abrasão.
Figura 1. Imagem ilustrativa de máquinas e equipamentos expostos ao desgaste.
Fonte: CDE do Brasil (2012)
Figura 2. Vazamento de produto causado pelo desgaste prematuro da canalização.
A máquina de ensaios para desgaste abrasivo em metais, procura atuar firmemente em ensaios em corpos de prova e com resultados, afim de facilitar os estudos e análises, prevendo a perda de massa do material por meio abrasivo. Com base nisto tem-se a capacidade de informar quais estratégias serão eficazes para melhorar a eficiência do metal quanto ao meio que o agride abrasivamente, este método não pode ser usado para prever a resistência exata de um dado material em um ambiente especifico, mas seu valor reside na previsão do ranking de materiais em uma ordem relativa de mérito similar.
1.2 OBJETIVOS
Desenvolver um estudo de ensaio e projeto de uma máquina de teste a abrasão, baseado na norma ASTM G65-16, (2016), com finalidade de usá-la para testes e avaliação em diversos tipos de aços para os seguintes objetivos específicos:
• Estudar os fenômenos geradores de desgaste;
• Entender os métodos de ensaios de abrasão existentes; • Verificar os métodos disponíveis de ensaios de abrasão;
• Realizar revisão bibliográfica envolvendo os conceitos especificados pela norma os quais são necessários para desenvolvimento de projeto e construção de protótipo;
• Desenvolver projeto com o auxílio do software Solid edge seguindo a metodologia de projetos;
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
Para seguimento deste trabalho veio-se através dos dados pesquisados abaixo dar ênfase nas questões que permitem fomentar o entendimento do motivo de se realizar ensaios abrasivos em materiais metálicos, bem como método mais utilizado atualmente, um dos motivos de se projetar uma máquina para estes fins conforme segue estudo.
2.1 TRIBOLOGIA
A palavra tribologia é derivada a partir da palavra grega TRIBOS que significa atrito, e LOGOS que significa estudo, de forma que uma tradução literal significa 'Estudo do Atrito' ou a ciência que estuda o Atrito (STOETERAU, 2004).
Segundo a norma ASTM G40-15 (2015), a tribologia, ciência e a tecnologia estão diretamente envolvidas em superfícies que interagem em movimento relativo, incluindo atrito, lubrificação, desgaste e erosão.
Conforme Stoeterau (2004) a tribologia é definida como a ciência e tecnologia que estuda a interação entre duas ou mais superfícies em contato e em movimento relativo, em que tais interações são muitas e bastante complexas, que afeta principalmente o chamado tribológico interface. Se apresenta diferentes interesses nas diferentes áreas do conhecimento tecnológico, com uma série de disciplinas científicas, se ocupando de problemas tribológicos tais como:
• A ciência dos materiais, com o desenvolvimento de materiais tribológicos especiais;
• A química, com o estudo de lubrificantes, aditivos e problemas de camada limite;
• A física, com estudos de novos materiais e processos de revestimentos, e estudo do atrito no nível atômico / quântico;
• A fabricação, com estudo da qualidade superficial proveniente da fabricação e suas relações com a tribologia;
• Metrologia, com a qualificação superfícies tribológicas e a automação de sistemas;
• A automação, com o estudo da influência do atrito em sistemas de controle; entre outras.
Os fenômenos tribológicos na indústria tem uma influência muito grande nos sistemas. Observa-se a importância da influência do atrito e desgaste que pode ser classificada de acordo com as seguintes situações (STOETERAU, 2004):
a) Perdas de energia; b) Desgaste;
c) Problemas na dinâmica de controle;
d) Problemas ambientais (descarte de lubrificantes); e) Projeto de dispositivos de atrito.
Uma das maneiras úteis de controlar atrito e o desgaste é por lubrificação, embora muitas vezes não seja a maneira econômica. O avanço de cada um de seus subtópicos requer esforço concentrado, e muitas pessoas passam uma carreira satisfatória e útil em apenas um deles. Em contraste, os projetistas e engenheiros de produtos, precisam ser moderadamente proficientes em todos os tópicos relacionados com alguma compreensão em tópicos mais especializados (LUDEMA, 1996).
Outro método muito eficiente de evitar o desgaste precoce e excessivo é pela análise do desgaste do material, consiste em um método de ensaio que abrange os procedimentos laboratoriais para a determinação da resistência de materiais metálicos à abrasão, realizado em máquina de abrasão conforme norma ASTM G65-16 (2016).
2.2 ATRITO
O atrito é definido como a força que ocorre entre duas superfícies em contato e se opõem ao movimento de uma superfície sobre a outra, (força de atrito cinética) ou força que se opõe ao início do movimento (força de atrito estática). Forças de atrito são importantes na vida cotidiana, como por exemplo aqueles que permitem os seres humanos a andar e correr, qualquer força de atrito é oposta ao movimento relativo do corpo em questão. O atrito permite que você comece a caminhar e, uma vez que estiver em movimento o atrito permite que altere sua direção e também sua velocidade (TIPLER; MOSCA, 2009).
Apesar da importância do atrito, existem momentos em que ele é indesejável, e o desgaste causado pelo atrito é um dos fenômenos que ocorre quando as peças
móveis das máquinas trabalham em contato entre si, e uma grande quantidade de tempo e gastos financeiros são necessários para eliminar estes efeitos (TIPLER; MOSCA, 2009).
Durante o contato entre dois corpos, existem dois tipos de forças de atrito, as forças de atrito estático e forças dinâmicas também conhecida como atrito cinético.
2.2.1 Força de atrito estática
A força de atrito corresponde a uma força aplicada em uma grande caixa que possui uma força peso maior ou igual a força aplicada, assim a caixa não irá mover-se, ou seja, a força de atrito estática exercida pelo piso contrabalança a força que é aplicada, conforme ilustrado na Figura 3. Atrito estático é a força de atrito que atua quando não existe deslizamento entre as superfícies que estão em contato, é a força
(Fa máx.) que se opõe a força aplicada (TIPLER; MOSCA, 2009).
Conforme especificado por Tipler; Mosca, (2009) matematicamente pode ser representado conforme equação (1):
𝐹𝑒 𝑚á𝑥 = µ𝑒. 𝐹𝑛 (1)
Figura 3: Presença da força de atrito 𝑭a na interface de corpos em contato sem movimento relativo.
Fonte: Paula (2008)
Onde:
µe - coeficiente de Atrito Estático
Fn- Força normal
O coeficiente de Atrito Estático irá depender dos materiais que correspondem as superfícies e também da temperatura das superfícies (TIPLER; MOSCA, 2009).
2.2.2 Força de atrito cinética
A força de atrito cinética corresponde a força aplicada de tal maneira na caixa representada na Figura 3, que a mesma entrará em movimento deslizando sobre o piso, enquanto estiver em movimento o piso estará exercendo uma força de atrito cinético (Fc) (também chamada de atrito dinâmico ou de deslizamento) que se opõe
ao movimento (TIPLER; MOSCA, 2009).
Conforme especificado por Tipler; Mosca, (2009) matematicamente pode ser representado conforme equação (2):
𝐹𝑐 = µ𝑐.𝐹𝑛 (2)
Onde:
Fc – Força de Atrito cinético
µc - Coeficiente de Atrito cinético
Fn- Força normal
O coeficiente de Atrito cinético irá depender dos materiais que correspondem as superfícies e também da temperatura das superfícies (TIPLER; MOSCA, 2009).
Bayer (2004) aponta que existem três mecanismos gerais, que são propostos como base para o atrito entre duas superfícies sólidas entre eles estão, adesão, abrasão e fadiga, quando é incluído um fluido lubrificante, é considerado um quarto mecanismo o da lubrificação conforme ilustrado na Figura 4.
Figura 4: Mecanismos de Atrito.
Fonte: Adaptado de Bayer (2004, p.181)
O mecanismo de atrito por adesão se baseia na ligação adesiva entre as superfícies, é suficientemente forte para resistir ao deslizamento, à medida que as duas superfícies se movem uma em relação a outra, o desgaste ocorre por uma superfície que arranca o material da outra superfície, e o material permanece ligado a superfície que o removeu (BAYER, 2004).
O mecanismo de atrito por abrasão ocorre em função do formato e da dureza dos dois materiais em contato. Mecanismos de desgaste associados, rígidos ou partículas, que interagem resultando em sulcos, arranhões ou entalhes numa superfície (BAYER, 2004).
A histerese é utilizada para os mecanismos de atrito associados à deformação do ciclo repetido. Durante o rolamento entre os materiais, diferentes regiões das superfícies em contato são tensionadas, essas tensões desaparecem quando se desloca. Quando as tensões desaparecem a maioria dessa energia é liberada para o sistema, mas uma pequena parte é perdida na forma de calor, ocasionando a histerese do material (BAYER, 2004).
O cisalhamento viscoso é o mecanismo que ocorre mesmo havendo um lubrificante entre as partes móveis, o calor gerado pelo trabalho viscoso tende a fundir mais material sólido na superfície, que gera um elevado desgaste (STOETERAU, 2004).
Com relação ao desgaste para cada um destes mecanismos de atrito:
- O desgaste por atrito adesivo ocorre quando o corte das junções ocorre diferente do que na interface original.
- O desgaste por atrito abrasivo ocorre quando há deformação plástica ou formação de cavacos.
- O desgaste da deformação de ciclo repetido resulta da acumulação de tensão plástica associada ao ciclo de tensão, culminando na deformação plástica progressiva, na formação de fissuras e na propagação da fissura (BAYER, 2004). A fricção histerética aponta um aspecto significativo do atrito, resulta na dissipação da energia. A energia associada ao atrito é dissipada de duas maneiras gerais. A grande maioria da energia é dissipada como calor. Uma quantidade muito menor está associada com perda ou deformação material, ou seja, desgaste (BAYER, 2004).
2.3 O FENÔMENO DE DESGASTE
Os primeiros seres humanos tiveram o acesso a apenas um número limitado de materiais, aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores ás dos produtos naturais; estes novos materiais incluíam a cerâmica e vários metais. Além disso foi descoberto que as propriedades de um material poderiam ser alteradas através de tratamentos térmicos e pela adição de outras substâncias. Tudo isso possibilitou um grande avanço nas descobertas trazendo técnicas e tecnologias para auxiliar na descoberta destes elementos que dariam a liga para a aplicação ideal (CALLISTER, 2002).
Mesmo com as novas tecnologias e ferramentas, também surgem fenômenos de reação de diversas formas, os quais prejudicam a habilidade ou funcionamento pleno do sistema, onde entra o desgaste, que surge por várias formas de operação. O fenômeno de desgaste pode ser definido como a deterioração não intencional de um material resultante do uso ou da interação com o meio ambiente. Mais especificamente, pode-se usar a palavra desgaste para indicar a remoção de partículas metálicas que resulta do movimento relativo entre dois materiais, geralmente sob carga (COUTINHO, 1992).
Segundo Ludema (1996) o desgaste das superfícies ocorre simultaneamente por dois ou mais processos atuantes, a ação do ciclo de interação entre corpos pode ser de diversas formas, e mudar continuamente com o tempo. O desgaste pode ser controlado entre as taxas de desgaste, a geração de partículas e perda de partículas. Conforme Kato (2001 apud SILVEIRA, 2016, p. 28) os mecanismos de desgaste são descritos pelas considerações das mudanças complexas na superfície durante o movimento. De forma geral, o desgaste se dá através de vários modos, portanto a compreensão de cada mecanismo de desgaste em cada modo se torna importante. A Figura 5 mostra um breve resumo destes mecanismos.
Figura 5: Diagrama dos processos de desgaste em função do elemento interfacial e do tipo de movimento das interfaces.
Fonte: Kato (2001 apud SILVEIRA, 2016, p. 28).
Conforme Stoeterau (2004) o desgaste é um processo complexo, resultado de diferentes processos que podem ocorrer independentemente ou em combinações que pode ser representado de quatro formas de desgaste:
• Por adesão: • Por abrasão; • Por corrosão:
• Por fadiga superficial.
Neste presente trabalho será abordado basicamente o mecanismo de desgaste por abrasão, pois caracteriza de forma direta os ensaios realizados pela máquina de desgaste.
2.3.1 Desgaste abrasivo
O desgaste abrasivo é causado por partículas duras e protuberâncias a abrasão e erosão, são termos comumente usados para situações de desgaste abrasivo, estes dois tipos de situações são ilustrados na Figura 6. Quando duas superfícies estão envolvidas, a situação de desgaste é geralmente referida como abrasão, normalmente é feita uma distinção entre dois tipos de abrasão, dois ou três corpos, devido a diferenças significativas no comportamento de desgaste associado a estas duas situações (BAYER, 2004).
A Abrasão de Dois Corpos é quando o desgaste é causado por protuberâncias ou partículas duras fixadas a uma superfície, a Abrasão de Três Corpos é quando as partículas não estão ligadas, mas entre as superfícies,exemplos de abrasão de dois corpos podem ser obtidos em limamentos, papel abrasivo, tecidos abrasivos e rebolos (rodas abrasivas), outro exemplo seria uma superfície de metal áspera, deslizando sobre uma superfície de polímero (BAYER, 2004).
Exemplos de abrasão de três corpos seriam o desgaste causado pela areia em um rolamento e detritos de desgaste duro e suspensões abrasivas presas entre superfícies em movimento. O termo Erosão é geralmente aplicado a situações de desgaste abrasivo quando apenas uma superfície está envolvida, erosão de lamas e a erosão de partículas sólidas são termos genéricos comuns para tais situações (BAYER, 2004).
Figura 6: Situações de desgaste Abrasivo.
Segundo a norma ASTM G40-15 (2015) faz-se entender que o desgaste abrasivo ocorre devido à ação de partículas duras, é forçado e movido ao longo de uma superfície de um sólido mais macio, resultando em perda de material ou riscando o mesmo.
Metals Handbook (1990, Vol.1) menciona que o desgaste abrasivo é causado
por tensões de compressão concentradas no local de contato com o abrasivo, ocasionando a deformação plástica e fadiga de constituintes dúcteis, e a quebra dos constituintes duros do material empregado.
Tem-se situações onde a abrasão se dá sempre com novas partículas abrasivas, é quando o desgaste continua com volume constante ao longo do tempo. Entretanto, quando o sistema contém uma quantidade limitada de abrasivo em escorregamento e usada continuamente durante o deslizamento, o desgaste tende a diminuir enquanto o deslizamento continua. Alguns pesquisadores explicam essa diminuição do desgaste porque as partículas abrasivas tornam-se rombudas, fator provável de influência é o entupimento do elemento abrasivo por partículas do material desgastado. Esses fragmentos de desgaste poderão, eventualmente, passar do nível dos grãos abrasivos e, no ponto considerado, a ação abrasiva cessa conforme demonstrado na Figura 7 (STOETERAU, 2004).
Figura 7: a) Aparência da superfície abrasiva antes e depois do trabalho de desgaste, mostrando o arredondamento das asperezas; b) Superfície abrasiva entupida de fragmentos de desgaste.
Fonte: Stoeterau (2004, p.87).
Segundo Stoeterau (2004) os não metais duros são os materiais mais apropriados e usados como abrasivos, se trata de materiais mais duros que se conhece e porque falham por fratura frágil. Realmente os abrasivos comuns estão todos nesta categoria. Óxido de alumínio e carboneto de silício (carborundo), ambos com dureza acima de 2000 kgf/mm², são os materiais preferidos para uso geral, pois combinam as propriedades de extrema dureza, fragilidade conforme Tabela 1.
Tabela 1: Materiais apropriados e usados como Abrasivos
Fonte: Stoeterau (2004, p.88).
O contaminante mais comum é o sólido mais acessível na superfície da terra, ou seja, a sílica (dióxido de silício = areia), a sua dureza é comparável com a que se consegue obter em metais, porém, são poucas as escolhas disponíveis para resistir sua ação abrasiva, conforme mostra a Tabela 2, em contrapartida são muito utilizados (STOETERAU, 2004).
Na Tabela 2 pode-se observar alguns materiais que podem ser estudados segundo o método de medição de abrasão por areia seca e roda de borracha conforme NORMA ASTM G65 – 16.
Tabela 2: Materiais Resistentes à Abrasão
Fonte: Stoeterau (2004, p.88).
Com relação aos materiais observa-se que a resistência à abrasão em relação ao grau de superioridade de um tipo em relação a outro também pode variar consideravelmente, dependendo da aplicação e também se o desgaste abrasivo é devido a abrasão, abrasão de alta tensão (trituração), ou raspagem de baixa tensão ou erosão. Além disso, o desempenho do material será diferente de acordo com o ambiente sendo seco ou molhado (METALS HANDBOOK, 1990, Vol.1).
Em consideração aos testes e ensaios que são realizados, é muito importante caracterizar completamente qualquer substância abrasiva, particularmente minérios e
outras misturas terrosas, assim os resultados de testes e avaliações de serviços podem ser adequadamente analisados (METALS HANDBOOK, 1990, Vol.1).
2.4 MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DE DESGASTE
Os testes usados pelos desenvolvedores de materiais tendem a cair na categoria fenomenológica, ou seja, uma relação muito aproximada entre os testes e a aplicação prática do material. Dos testes padronizados muitos também são representativos desta categoria e são usados para apoiar atividades de desenvolvimento de materiais (BAYER, 2004).
Os testes fenomenológicos são úteis na compreensão e para caracterização do comportamento básico de desgaste, tanto de materiais como de mecanismos de desgaste (BAYER, 2004).
Bayer (2004) ainda explica que para uma abordagem fenomenológica, são necessárias informações adicionais (por exemplo, análise de falhas de componentes desgastados, demonstração de simulação ou identificação de limites de aplicabilidade) para estabelecer correlação entre o teste e a aplicação.
Abaixo são abordados alguns dos métodos de ensaios de desgaste conhecidos.
2.4.1 Teste de abrasão usando a areia seca e roda de borracha
Pode ser entendido como desgaste abrasivo de três corpos, onde a forma de abrasão ocorre por partículas soltas introduzidas ou geradas entre as superfícies de contato (ASTM G40-15, 2015).
Na tribologia, partículas soltas são consideradas um "terceiro corpo" (ASTM G40-15, 2015).
Os testes são utilizados para investigar a influência de diversos parâmetros sobre este modo de desgaste, tais como tamanho e forma de partículas abrasivas e parâmetros de material. Por se tratar de avaliação fenomenológica, o teste geralmente se correlaciona com as condições de campo, assim tem sido considerado uma das formas mais eficazes para classificar os materiais em termos da sua resistência ao tipo de ação abrasiva, possibilitando uma melhor solução de escolha do material conforme suas aplicações. Por exemplo, boa correlação no ranking foi demonstrada entre o teste e o cultivo de solos arenosos (BAYER, 2004).
A abrasão com arranques de baixo tensão é simulada no teste, aprisionando uma corrente de abrasivos em queda livre entre uma amostra de desgaste e uma roda revestida com borracha rotativa conforme ilustrado na Figura 8 abaixo. O aro da roda é revestido com borracha para evitar esmagar os grãos no intervalo entre o espécime e a roda. O desgaste é geralmente determinado pela perda de peso que é convertida no volume de desgaste dividindo-se pela densidade. Uma versão padrão deste teste para classificação de materiais foi desenvolvida pela ASTM G65 (BAYER, 2004).
A Figura 9 ilustra alguns exemplos de cicatriz de desgaste abrasivo, realizado em máquina de ensaio com roda revestida de borracha e areia seca.
Figura 8: Diagrama esquemático do aparelho de teste
Fonte: Adaptado de ASTM G65 - 16 (2016, p.2)
Figura 9: Exemplos de morfologia da cicatriz de desgaste do teste de roda de borracha e areia seca.
O teste de roda de borracha simula a abrasão de baixa tensão, como encontrado em classificadores e outros equipamentos que lidam com pastas abrasivas. (METALS HANDBOOK, 1990, Vol.1).
O objetivo deste método de teste é permitir o teste de abrasão de qualquer forma de material, incluindo metais trabalhados, fundições, forjados, sobreposições de solda a gás ou elétrica, depósitos de pulverização de plasma, metais em pó, metalização, cerâmicas e assim por diante. O tipo de material irá, em certa medida, determinar o tamanho total da amostra de teste (ASTM G65-16, 2016).
2.4.2 Teste de abrasão com areia molhada e roda de borracha
Este método de ensaio abrange os procedimentos laboratoriais para a determinação da resistência de materiais metálicos à abrasão por arranhões, por meio do ensaio com areia molhada e roda de borracha. A intenção deste procedimento é proporcionar dados que classifiquem de forma reprodutível os materiais na sua resistência à abrasão por raspagem num conjunto especificado dentro das condições de umidade (ASTM G105-16, 2016).
Pode ser observado que para este teste também pode ser simulado a baixa resistência a abrasão, e é muito semelhante ao teste de roda de borracha e areia seca. Um diagrama do teste de areia molhada é mostrado na Figura 10. É possível ver que o conceito de teste básico é muito semelhante ao teste de areia seca, ou seja, usando uma roda de borracha para arrastar abrasivos através da face de uma amostra de desgaste (BAYER, 2004).
No ensaio de areia úmida, o abrasivo está na forma de uma pasta de água. O desgaste em ambos os testes é determinado pela perda de peso e convertido em volume para classificações de material. Ambos os testes têm sido utilizados extensivamente para investigar abrasão, raspagem, e ambos foram encontrados para se correlacionar bem com muitas aplicações práticas. Embora exista a potencial diferença, o comportamento do material é semelhante e geralmente encontrado com ambos os testes (BAYER, 2004).
Figura 10: Diagrama esquemático do aparelho de teste de desgaste.
Fonte: Adaptado de ASTM G105-16 (2016, p.2)
Como o teste de areia seca, a areia molhada fornece uma classificação de materiais, mas não fornece valores absolutos. Diferentes condições de teste são especificadas para diferentes classes de materiais para fornecer resolução adequada e separação na resistência ao desgaste (BAYER, 2004).
Os dois métodos de teste são muito semelhantes, porém há algumas correlações que devem ser levadas em consideração, no teste de areia úmida, são usadas três rodas de borracha com dureza Shore (A50, A60 e A70) para minimizar o efeito da variação da roda (BAYER, 2004).
Outra diferença entre os dois testes é que o procedimento de areia molhada requer um ciclo de arrombamento com a roda de dureza Shore A50. Trata-se de minimizar os efeitos dos defeitos e variações. Depois de cada um destes testes, é necessário que a câmara de pasta seja limpa e nova pasta utilizada. A técnica também requer reposicionamento da amostra, que é controlada pela fixação e tolerância associada. Inspeções visuais e critérios estatísticos também estão associados ao procedimento (BAYER, 2004).
2.4.3 Teste de desgaste do pino no disco
Esta é outra configuração que tem sido usada extensivamente para estudar desgaste e classificar materiais. É visto como um teste geral que pode ser usado para avaliar o comportamento deslizante de desgaste de pares de materiais. Sua correlação com uma aplicação depende do grau de simulação que os parâmetros de
teste têm com os da aplicação. A configuração básica é mostrada na Figura 11 (BAYER, 2004).
Um pino com ponta de raio ou de ponta plana é pressionado contra um disco plano, o movimento relativo entre os dois é tal que é gerado um percurso de desgaste circunferencial na superfície do disco, o pino ou o disco pode estar se movendo. Os parâmetros de teste utilizados variam, conforme a norma ASTM G99 - 95a (2000), que especifica o uso de um pino arredondado, e não especifica valores específicos para os parâmetros, mas permite que aqueles sejam selecionados pelo usuário para fornecer a simulação de uma aplicação (BAYER, 2004).
Figura 11: Diagrama do teste do pino em disco e seções transversais das formas do pino usadas com este tipo de teste.
Fonte: Adaptado de Bayer (2004, p.287)
Os parâmetros que podem variar incluem tamanho e forma dos pares de pinos, carga, velocidade e material. O teste também pode ser feito em atmosfera controlada e com lubrificação, tal como os ensaios de bloco em anel e de cilindro cruzado, os níveis de tensão na versão de pino arredondado deste tipo de teste mudam durante o curso do ensaio, como resultado do desgaste (BAYER, 2004).
O método de teste também fornece precauções específicas. Por exemplo, é apontado que, enquanto o teste pode ser realizado com o disco horizontal ou vertical, os resultados podem ser diferentes. A razão para isso é que, na posição vertical, os detritos de desgaste podem ser removidos do sistema por gravidade, enquanto na posição horizontal não pode. Também aconselha o uso de medições de desgaste feitas com transdutores de monitoramento contínuo, as películas de transferência, detritos de desgaste e efeitos térmicos podem influenciar nas medições, assim como no resultado (BAYER, 2004).
2.4.4 Teste de desgaste de cilindro cruzado
Este é um teste que tem sido usado para classificar os pares de materiais em termos de sua resistência ao desgaste deslizante. Tem sido utilizado há vários anos na indústria, principalmente na avaliação de aços ferramentas de ligas de superfície dura. Os procedimentos e parâmetros utilizados pelos diferentes laboratórios tendem a variar, embora uma prática padrão tenha sido desenvolvida e publicada com a ASTM G83-96 (2005), para este tipo de teste. A configuração básica do teste é mostrada na Figura 12 (BAYER, 2004).
O princípio de funcionamento dos testes consiste em um cilindro que é mantido estacionário e o outro é pressionado contra ele e girado. O conceito básico é classificar os materiais em termos do desgaste produzido após um número fixo de revoluções. O desgaste é medido diretamente por uma técnica de perda de massa, mas convertida em perda de volume para comparação. Estudos que utilizaram a prática padrão, mostraram que o coeficiente de variação para o teste intralaboratório (Laboratório interno) está dentro de 15%, e para testes interlaboratoriais (entre Laboratórios), 30% (BAYER, 2004).
Figura 12: Diagrama do teste dodesgaste de cilindro cruzado.
Fonte: Adaptado de Bayer (2004, p.285)
Além da medição quantitativa do desgaste, o procedimento de teste requer que os espécimes gastos sejam examinados quanto a características que possam tornar o teste inválido, como evidência de transferência, deformação ou distorção. Se algum destes ocorrer a um nível significativo, o teste deve ser considerado inválido e o teste
não deve ser usado para avaliar a resistência ao desgaste desses materiais (BAYER, 2004).
2.5 SELEÇÃO DE MÁQUINA DE ENSAIO PARA O PROJETO
Como observado no conteúdo já apresentado até este momento, observa-se que a natureza do desgaste é complexa. Existem vários mecanismos de desgaste, cada um dos quais é sensível a um grande número de parâmetros, mas não necessariamente aos mesmos nem da mesma maneira. Não há nenhum parâmetro único, universal, que possa ser usado para caracterizar o comportamento de desgaste. Como consequência, não há um teste universal único para o desgaste. Em vez disso, esta natureza complexa resulta na necessidade de uma variedade de testes, cada uma abordando um aspecto particular de situações de desgaste. O grande número de testes de desgaste e aparelhos que podem ser encontrados na literatura serve para ilustrar este ponto (BAYER, 2004).
Outro detalhe que se observa e que precisa ser reconhecido é de que o teste de desgaste não define ou mede uma propriedade material fundamental ou intrínseca, como módulo ou força. Nesse sentido, não é um teste de material. Em vez disso, ele mede ou caracteriza a resposta ou comportamento de um material em um ambiente de sistema. Basicamente, isso é porque o desgaste não é uma propriedade de materiais, mas uma propriedade do sistema. Os materiais podem se comportar de maneira diferente em diferentes situações de desgaste, como foi discutido e ilustrado anteriormente. Como consequência, diferentes testes de desgaste tendem a fornecer classificações diferentes de materiais (BAYER, 2004).
Para a seleção de uma máquina para ensaios deve ser considerado os aspectos de desgaste aos quais o material estará sujeito na aplicação, a máquina de ensaio deve corresponder com resultados muito próximos. Segundo Kassim (2000 apud RIBEIRO, 2004, p. 17) declara que de todos os diferentes tipos de desgaste, o desgaste abrasivo é o que ocorre em mais de 50% dos casos, sendo considerado como o mais severo e o mais comumente encontrado na indústria, e o desgaste por abrasão à baixa tensão é o tipo de desgaste que mais ocorre nos equipamentos e peças industriais. Dados que são favoráveis de uso e para a concepção do projeto de uma máquina de ensaio a abrasão a areia seca e roda de borracha, também conhecida como máquina de ensaio a baixa tensão.
2.6 ESPECIFICAÇÕES RELEVANTES A MÁQUINA DE ABRASÃO A AREIA SECA E RODA DE BORRACHA
O ensaio de abrasão de desgaste usando areia seca e roda de borracha, consiste em esmerilhar um corpo de prova padronizado com areia, onde o tamanho de grão e a composição são controlados. O abrasivo escoa por gravidade através de um bocal projetado para vazão controlada, passa de forma pressionada entre um corpo de prova e uma roda com anel de borracha de clorobutilo ou neoprene com uma dureza especificada e rotação controlada, o corpo de prova é fixado em uma alavanca de carga, provocando o riscamento conforme pode ser observado na Figura 13, imagem representativa de parte de um aparelho para ensaio conforme (ASTM G 65-16, 2016).
Figura 13: Detalhamento da parte interna do aparelho de ensaio
Fonte: Adaptado de ASTM G65-16 (2016, p.3)
A rotação da roda em relação a sua face de contato ocorre na direção do fluxo de areia. O eixo de articulação do braço de alavanca encontra-se dentro de um plano que é aproximadamente tangente à superfície da roda de borracha e normal ao
diâmetro horizontal ao longo do qual a carga é aplicada. A duração do ensaio e a força aplicada pelo braço de alavanca variam conforme os procedimentos de A até E especificados na Norma conforme explanado abaixo. Os espécimes são pesados antes e depois do ensaio e a perda de massa registada. É necessário converter a perda de massa em perda de volume em milímetros cúbicos, devido às grandes diferenças na densidade de materiais. A abrasão é relatada como perda de volume por procedimento especificado (ASTM G 65-16, 2016).
Conforme especificado na norma ASTM G65 (2016) este método de ensaio abrange cinco procedimentos recomendados que são adequados para graus específicos de resistência ao desgaste ou espessuras do material de ensaio.
Procedimento A - Este é um teste relativamente severo que classificará os materiais metálicos numa larga escala de perda de volume de resistência de abrasão baixa a extrema. É particularmente útil na classificação de materiais de média a extrema resistência à abrasão (ASTM G 65-16, 2016).
Procedimento B - Uma variação pequena em relação ao Procedimento A, pode ser usado para materiais altamente resistentes ao abrasivo, mas é particularmente útil no ranking de materiais de média e baixa resistência à abrasão. O procedimento B deve ser utilizado quando os valores de perda de volume desenvolvidos pelo Procedimento A excederem 100mm³ (ASTM G 65-16, 2016).
Procedimento C - Uma variação pequena em relação ao Procedimento A para uso em revestimentos finos (ASTM G 65-16, 2016).
Procedimento D - Esta é uma variação de carga mais leve que nos demais procedimentos, é particularmente útil na classificação de materiais de baixa resistência à abrasão. Ele também é usado em classificar materiais de um tipo genérico específico ou materiais que seriam muito próximos nas taxas de perda de volume conforme desenvolvido pelo Procedimento A (ASTM G 65-16, 2016).
Procedimento E - Uma variação pequena em relação ao Procedimento B, é útil na classificação de materiais com resistência à abrasão média ou baixa (ASTM G 65-16, 2016).
Para realização de projeto da máquina de ensaios abrasivos precisa-se de mais informações além das já informadas, as quais serão vistas a seguir, e demais informações complementares podem ser estudadas dentro da Norma ASTM G65 - 16.
2.6.1 Precisão, tendência e estatísticas do ensaio a Abrasão
A norma ASTM E177-14 (2014), explica que para obtenção de um método de ensaio bem-sucedido deve se ter um controle especifico de fatores, tais como, o equipamento de ensaio, o ambiente de ensaio, as qualificações do operador (explícita ou implicitamente), a preparação de amostras de ensaio e o procedimento de utilização do equipamento no ambiente de ensaio para medir as propriedades dos espécimes de teste. O método de ensaio especifica também o número de amostras de ensaio necessárias e a forma como as medições devem ser combinadas para fornecer um resultado de ensaio com precisão, estes dados, usados para controle de precisão entre equipamentos de ensaio garantindo uma uniformidade nos resultados. A norma ASTM E691 especifica a prática padrão para a realização de um estudo interlaboratorial, para determinar a precisão de um método de teste, esta prática descreve as técnicas para planejar, conduzir, analisar e tratar os resultados de um estudo interlaboratorial (ILS) de um método de teste. As técnicas estatísticas descritas nesta prática fornecem informações adequadas para a formulação da declaração de precisão de um método de ensaio (ASTM E691-16, 2016).
Para a realização da máquina de ensaios a forma de desenvolvimento do estudo baseia-se mais detalhadamente a fatores que tem relação ao equipamento de ensaio e fatores relevantes ao mesmo.
2.6.1.1 Conceitos de Precisão do Método de Teste
Existem dois termos que tratam da variabilidade dos resultados dos ensaios obtidos em condições de laboratório especificadas, e representam os dois extremos da precisão do método de ensaio trata-se da repetibilidade e reprodutibilidade (ASTM E691-16, 2016).
Tanto a repetibilidade quanto a reprodutibilidade, possui uma aproximação de resultado de 0,95 (95%) a qual é considerada razoavelmente boa (0,90 a 0,98) quando muitos laboratórios (30 ou mais) estão envolvidos, mas estima-se pobre quando menos de oito laboratórios forem estudados (ASTM E177-14, 2014).
A repetibilidade refere-se à variabilidade entre os resultados de ensaios independentes obtidos num único laboratório num período de tempo mais curto por um único operador com um conjunto específico de aparelhos de ensaio que utilizam
amostras de ensaio (ou unidades de ensaio) extraídas aleatoriamente de uma única quantidade de material homogéneo obtido ou preparados para o ILS (interlaboratory
study), (ASTM E691-16, 2016).
Para as condições de repetibilidade o requisito de um único operador e de um único conjunto de aparelhos significa que, para uma determinada etapa do processo de medição, a mesma combinação de operador e aparelho é usada para cada resultado de teste e em cada material. Assim, um operador pode preparar os espécimes de teste, uma segunda medida as dimensões e uma terceira medir a força de quebra. "Período de tempo mais curto" significa que os resultados dos ensaios, pelo menos para um material, são obtidos num tempo não inferior ao ensaio normal isso para não permitir alterações significativas no material de ensaio, no equipamento ou no ambiente (ASTM E691-16, 2016).
Limite de repetibilidade (r) - pode ser desenvolvido com dois resultados de ensaios obtidos num laboratório que devem ser julgados não equivalentes se diferirem mais do que o valor "r" para esse material; "r" é o intervalo que representa a diferença crítica entre dois resultados de ensaio para o mesmo material, obtidos pelo mesmo operador utilizando o mesmo equipamento no mesmo dia no mesmo laboratório (ASTM G 65-16, 2016).
A reprodutibilidade refere-se à variabilidade entre os resultados de ensaios individuais obtidos em diferentes laboratórios, onde cada um dos quais aplicou o método de ensaio para testar amostras (ou unidades de ensaio) tiradas aleatoriamente de uma única quantidade de material homogéneo obtido ou preparado para o ILS (ASTM E691-16, 2016).
Para as condições de Reprodutibilidade os fatores que contribuem para a variabilidade em um único laboratório, como operador, equipamento usado, calibração do equipamento e ambiente (por exemplo, temperatura, umidade, poluição do ar) geralmente terão efeitos diferentes em outros laboratórios, e a variabilidade entre os laboratórios será maior (ASTM E691-16, 2016).
Limite de Reprodutibilidade (R) - pode ser desenvolvido com dois resultados de ensaio que devem ser considerados não equivalentes se diferirem mais do que o valor "R" para esse material; "R" é o intervalo que representa a diferença crítica entre dois resultados de ensaio para o mesmo material, obtidos por diferentes operadores utilizando diferentes equipamentos em diferentes laboratórios (ASTM G 65-16, 2016).
Os limites de repetibilidade e reprodutibilidade estão listados na Tabela 3 e Tabela 4abaixo conforme o procedimento e materiais usados.
Um método de teste geralmente tem três etapas distintas: a observação direta das dimensões ou propriedades, a combinação aritmética dos valores observados para obter uma determinação do teste e a combinação aritmética de um número de determinações de teste para obter o resultado do teste do método de ensaio. O resultado do ensaio é o valor final reportável do método de ensaio. A precisão de um método de ensaio é determinada a partir dos resultados dos ensaios, não das determinações de ensaio ou das observações. (ASTM E691-16, 2016).
Para obtenção de resultados de precisão em máquinas de ensaios tem-se fórmulas que definem os testes, abaixo consta algumas equações, e demais informações podem ser obtidas na norma ASTM E691-16 (2016).
O limite de repetibilidade r - Corresponde a 2,8 ~1,96√2 vezes o desvio padrão de repetibilidade. Este multiplicador é independente do tamanho do estudo interlaboratório, ou seja, do número de laboratórios envolvidos no estudo, o cálculo representa-se com a equação (3) (ASTM E177-14, 2014).
𝑟 = 2.8 𝑠r (3)
O limite de Reprodutibilidade R - Corresponde a 2,8 ~1,96√2 vezes o desvio padrão de reprodutibilidade. Este multiplicador é independente do tamanho do estudo interlaboratório o cálculo representa-se com a equação (4), (ASTM E177-14, 2014).
𝑅 = 2.8 𝑠R (4)
Desvio Padrão de Repetibilidade Sr - Cálculo da estatística usando a seguinte
equação (5): 𝑆𝑟 = √∑𝑠 2 𝑝 𝑝 1 (5)
Desvio Padrão de Reprodutibilidade, SR – Cálculo da estatística usando a seguinte
equação (6):
𝑆R= √𝑆𝐿² + 𝑆𝑟2
(6)
Entre Variância de Laboratório SL
²
(equação 7) e Desvio Padrão SL (equação 8) -Cálculo de variância e desvio padrão utilizando as seguintes equações:
𝑆𝐿2 = 𝑆𝑋² − 𝑆𝑟2 𝑛 (7) 𝑆𝐿 = √𝑆𝐿2 (8) Se o resultado de 𝑆𝐿2 e 𝑆
𝐿 for negativo, fica: 𝑆𝐿2 = 0 e 𝑆𝐿 = 0.
Desvio Padrão das Médias Celulares, S𝑥 – Cálculo da estatística usando a seguinte equação (9):
𝑆𝑥 = √∑
𝑑2
𝑝 − 1 (9)
Desvio Celular, d - Para cada laboratório, calcula-se o desvio celular subtraindo a média das médias celulares da média celular usando a seguinte equação (10):
d = 𝑥̅ − 𝑥̿ (10)
Média das Médias Celulares, 𝑥̿ - Cálculo da média de todas as médias celulares para um material usando a equação (11):
𝑥̿ = ∑𝑥̅ 𝑝
𝑝
1
Média de células 𝑥, calcula a média das células para cada laboratório utilizando a equação (12): 𝑥̅ = ∑𝑥 𝑛 𝑛 1 (12)
Desvio padrão da célula, s - Cálculo do desvio padrão dos resultados do teste em cada célula. 𝑠 = √∑(𝑥 − 𝑥) 2 𝑛 − 1 𝑛 1 (13) Onde:
Sr = o desvio padrão de repetibilidade,
s = o desvio padrão da célula. p = número de laboratórios.
𝑥
= a média dos resultados do teste em uma célula.𝑥̿
= A média das médias de células para um material. x = o teste individual resulta numa célula.n = número de resultados do teste em uma célula. d = desvio celular.
S𝑥̅ = desvio padrão das médias celulares. SL = desvio-padrão entre laboratórios.
Célula = Volume perdido (volume Loss) (mm³).
Conforme especificado na norma ASTM G65-16 (2016) foram realizados testes onde a precisão deste método de teste baseia-se num estudo interlaboratorial
(Inter-Laboratory Study (ILS)) da ASTM G65, Método de Ensaio para Medição de Abrasão
com o Aparelho de Roda de Borracha e Areia Seca, realizado em 2013. Onde seis laboratórios participaram deste estudo, cada um testando três materiais diferentes. Cada "resultado de teste" representa uma determinação individual. Os laboratórios foram solicitados a relatar os resultados dos testes repetidos para cada material. A prática foi elaborada seguindo equações acima listadas e procedimentos descritos na
norma ASTM E691 para a concepção básica e a análise de dados, a Tabela 3 e Tabela 4 revelam os resultados, os detalhes são dados no Relatório ASTM N° RR: G02-1016. A declaração de precisão conforme descrito em norma ASTM G65-16 (2016) foi determinada através do exame estatístico de 30 resultados de ensaios, de um total de seis laboratórios, sobre três materiais diferentes, rotulados como:
• D2: Aço de ferramenta de alto carbono-cromo.
• Carbeto: cobertura de matriz de níquel contendo carbeto esférico com uma porcentagem de densidade de carboneto / matriz de 60/40.
• H13: Aço de ferramenta de cromo médio de baixo carbono.
Recomenda-se escolher o material listado mais próximo das características do material de teste quando se considera a precisão (ASTM G 65-16, 2016).
Tabela 3: Procedimento A (perda de volume mm3)
Fonte: Adaptado de ASTM G65 - 16 (2016, p.10)
Tabela 4: Procedimento B (perda de volume mm3)
Fonte: Adaptado de ASTM G65 - 16 (2016, p.11)
2.6.2 Aparelhos e materiais
Vários elementos são de importância crítica para assegurar uniformidade nos resultados dos testes entre laboratórios. A Figura 14 representa de forma básica o aparelho de teste que pode ser construído com materiais disponíveis, abaixo tem-se alguns materiais e considerações que são para uso na máquina como, borracha usada na roda, o tipo de abrasivo e a forma, o posicionamento e a abertura de tamanho do bocal de areia e um sistema de braço de alavanca adequado para aplicar a força necessária (ASTM G 65-16, 2016).
Figura 14: Aparelho de teste de abrasão de roda de borracha e areia seca conforme Norma.
Fonte: Adaptado de ASTM G65-16 (2016, p.3)
2.6.2.1 Especificações para roda de borracha
A roda mostrada na Figura 15 consiste em um disco de aço com uma camada exterior de borracha de clorobutilo ou neoprene moldada na sua periferia. A borracha não curada deve ser ligada ao rebordo e completamente endurecida num molde de aço, a dureza ótima da borracha curada é Shore A-60, com uma tolerância de intervalo A58 a A62 é aceitável, deve ser realizado no mínimo quatro leituras de dureza tomadas sobre a borracha aproximadamente 90° em torno da periferia da roda usando um aparelho de teste Shore A Durometer, sendo realizado de acordo com o método de teste estimado na norma ASTM D2240. As medições devem ser efetuadas após um tempo de permanência de 5 segundos. A composição recomendada da borracha
é uma fonte de moldagem qualificada observada na Tabela 5 e Tabela 6 (ASTM G 65-16, 2016).
Tabela 5: Fórmula para borracha de clorobutilo
NOTE 1 —Gravidade específica da mistura: 1.15. Cura à pressão: 20 min a 160 ° C (320 ° F).
Máterial Proporções por Peso
Chlorobutyl No. HT 10-66 (Enjay Chemical) 100
Agerite Staylite-S 1 HAF black 60 Circolight oil 5 Stearic acid 1 Zinc oxide 5 Ledate 2
ᴬ A única fonte de suprimento conhecida pelo comitê neste momento é a Falex Corporation,
1020 Airpark Dr., Sugar Grove, IL 60554. Se você está ciente de Fornecedores alternativos, forneça esta informação à sede da ASTM. Seu Comentários serão cuidadosamente analisados numa reunião do Comitê técnico, que você pode assistir.
Fonte: Adaptado de ASTM G65-16 (2016, p.5) Tabela 6: Fórmula para borracha de Neoprene
Fonte: Adaptado de ASTM G65 - 16 (2016, p.5)
Devido a problemas de fornecimento da formulação original de roda de borracha de clorobutilo, foi selecionada uma borracha alternativa que foi previamente aceita conforme norma ASTM G105 para teste de abrasão tribológica e prontamente
Material Proporções por Peso
Neoprene GW 100 Magnesiaᴮ 2 Zinc Oxide ͨ 10 Octamine 2 Stearic Acid 0,5 SRF Carbon Blackᴰ 37 ASTM #3 Oil 10
Nota 1 - A borra cha es tará em conformi da de com a Cl a s s i fi ca çã o D2000
NOTA 2 - A roda Durometer 60 es tará de a cordo com a 2BC615K11Z1Z2Z3Z4, onde Z1 - El a s tómero-Neopreno GW,
Z2 - Ti po A de dureza 60 ± 2,
Z3 - Contendo hi droca rboneto de borra cha Nã o i nferi or a 50% Z4 - Com reforço preto térmi co médi o.
NOTA 3 - As roda s s ã o mol da da s s ob pres s ã o. Tempo de cura de 40 a 60 mi n. a 153 ° C (307 ° F)
ᴬ A úni ca fonte de s upri mento conheci da pel o comi tê nes te momento é a Fa l ex Corpora tion , 1020 Ai rpa rk Dr., Suga r Grove , IL 60554. Se você es tiver ci ente de fornecedores a l terna tivos , forneça es ta i nforma çã o à s ede da ASTM. Seus comentári os s erã o cui da dos a mente cons i dera dos em uma reuni ã o do comi tê técni co res pons á vel , que você pode pa rtici pa r. ᴮ Ma gl i te D (Merck)
ͨ Ka dox 16 (Ner Jers ey Zi nc) ᴰ ASTM Gra u N762
disponível, a borracha de neoprene, tem formulação para dureza Shore A60 foi selecionado para protótipo e Inter-Laboratório de Estudo (ILS). Os resultados mostram consistência da borracha de neoprene entre laboratórios (ASTM G 65-16, 2016).
Figura 15: Roda de borracha
Fonte: Adaptado de ASTM G65 - 16 (2016, p.4)
A preparação e o cuidado na construção da roda de borracha vem ser a garantia de um teste eficaz, para isso a periferia da roda de borracha deve ser concêntrica ao furo do disco de aço sobre o qual a borracha será montada. A concentricidade entre o conjunto deve estar dentro de 0,05 mm (0,002 in.) de precisão total do indicador no diâmetro, o mesmo procedimento curativo pode ser usado em rodas usadas, as quais desenvolvem ranhuras ou desgaste desigual, cicatrizes de desgaste trapezoidais ou desiguais conforme identificadas na amostra de teste da Figura 16. A intenção é produzir uma superfície uniforme que irá correr tangente à amostra de teste sem causar vibração ou salto do braço de alavanca. As cicatrizes de desgaste devem ter uma forma retangular e uma profundidade uniforme em qualquer secção transversal à largura. A roda de borracha pode ser usada até que o diâmetro se desgaste para 215,9 mm (8,50 polegadas). As bordas de borracha novas podem ser montadas em discos de aço conforme fonte qualificada indicado na Tabela 5 e Tabela 6 (ASTM G 65-16, 2016).
Figura 16: Cicatrizes de desgaste típico (EVEN SCAR), Cicatrizes de desgaste irregulares e não-uniformes (UNEVEN SCAR)
Fonte: ASTM G65 - 16 (2016, p.9)
2.6.2.2 Especificações para abrasivo
O tipo de abrasivo deve ser uma areia de grãos de quartzo arredondada, tal como é tipificada pela areia de ensaio AFS 50/70 conforme Figura 17. O teor de umidade não deve exceder 0,5% em peso. A areia que foi submetida a umidade ou a umidade relativa elevada continuada pode reter esta umidade, que afetará resultados do teste. O teor de umidade pode ser determinado medindo a perda de peso após aquecimento de uma amostra até aproximadamente 120°C (250°F) durante 1hora no mínimo. Se a areia de ensaio contiver umidade acima de 0,5%, ela deve ser seca por aquecimento a 100°C (212°F) por 1hora no mínimo e o teste de umidade repetido (ASTM G 65-16, 2016).
Em áreas de alta umidade, a areia pode ser efetivamente armazenada em salas de temperatura e umidade constantes ou em um compartimento de aço fechado equipado com uma lâmpada elétrica de 100W. Fios de eletrodos de soldagem disponíveis por fornecedores de equipamentos de soldagem também são adequados e usados para secagem. O uso múltiplo da areia pode afetar os resultados do teste e não é recomendado (ASTM G 65-16, 2016).
Figura 17: 25 x Ampliação AFS 50/70 teste de areia
Fonte: ASTM G65 - 16 (2016, p.5)
A Areia de Ensaio AFS 50/70 é controlada para a seguinte gama de tamanhos, utilizando peneiras U.S. conforme Tabela 7, com mais especificação na norma ASTM E11, (ASTM G 65-16, 2016).
Tabela 7: Tipo de peneiras
Fonte: Adaptado de ASTM G65-16 (2016, p.4)
2.6.2.3 Especificações para o motor
Conforme especificado na norma ASTM 65-16 (2016) a roda é movida por um motor nominal de 0,7 kW (1 cv) de DC através de uma caixa de engrenagens de 10/1 para garantir que o torque total seja entregue durante o teste. A taxa de revoluções deve ser de (200 ±10 rpm) e permanecer constante sob carga. Outros acionamentos que produzem 200 rpm sob carga também são adequados (ASTM G 65-16, 2016).
A máquina também deve estar equipada com um contador de revoluções que monitorará o número de voltas da roda conforme especificado nos procedimentos de
