O que é Desgaste Fretting – Definição

Em geral, veste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Uma substância em contato pode consistir em outra superfície, um fluido ou partículas duras e abrasivas contidas em alguma forma de fluido ou suspensão, como um lubrificante, por exemplo. Assim como acontece com o atrito, a presença de desgaste pode ser boa ou ruim. O desgaste produtivo e controlado pode ser encontrado em processos como usinagem, corte, retificação e polimento. No entanto, na maioria das aplicações tecnológicas, a ocorrência de desgaste é altamente indesejável e é um problema extremamente caro, pois leva à deterioração ou mesmo à falha de componentes. Em termos de segurança, muitas vezes não é tão grave (ou tão repentina) quanto a fratura. Isso porque o desgaste costuma ser antecipado.

Certas características do material, como dureza, tipo de carboneto e porcentagem de volume, podem ter um impacto decisivo na resistência ao desgaste de um material em uma determinada aplicação. O desgaste, como a corrosão, tem vários tipos e subtipos, é previsível até certo ponto e é bastante difícil de testar e avaliar de forma confiável no laboratório ou em serviço.

Desgaste

O desgaste por atrito é um processo especial de desgaste que ocorre na área de contato entre dois materiais sob carga e sujeitos a movimentos relativos minúsculos por vibração ou alguma outra força. O desgaste por atrito é semelhante ao desgaste adesivo nessa microssoldagem ocorre em superfícies de contato. No desgaste adesivo, no entanto, os metais de revestimento deslizam um sobre o outro, enquanto no desgaste por atrito as interfaces metal-metal são essencialmente estacionárias. A amplitude do movimento de deslizamento relativo é frequentemente da ordem de micrômetros a milímetros. Como o desgaste por atrito é essencialmente um fenômeno estacionário, os detritos são retidos nos locais onde foram formados originalmente ou próximos a eles. Esses detritos geralmente consistem em óxidos dos metais em contato. Como os detritos oxidados geralmente são muito mais duros do que as superfícies de onde vieram, eles geralmente atuam como um agente abrasivo que aumenta a taxa de atrito. O desgaste por atrito ocorre normalmente em rolamentos, embora a maioria dos rolamentos tenha suas superfícies endurecidas para resistir ao problema.

 A mitigação da preocupação é baseada nas seguintes medidas:

• Reduza ou elimine a vibração. A maneira fundamental de evitar o atrito é projetar para nenhum movimento relativo das superfícies no contato
• Uso de um material elastomérico para evitar o contato de metal com metal.
• Lubrificação. O problema aqui é que, como a junta é essencialmente estacionária, o lubrificante líquido não pode fluir pela interface.

Desgaste de Detritos – Desgaste da grade para a haste

Em usinas nucleares, o revestimento de combustível é a camada externa das varetas de combustível, posicionada entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (ou seja, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10^–24 cm²), geralmente liga de zircônio. O revestimento evita que os produtos da fissão radioativa escapem da matriz de combustível para o refrigerante do reator e o contaminem. Nas primeiras datas das operações PWR e BWR, o desgaste era um dos principais mecanismos de falha desse revestimento de combustível. Tem normalmente duas variantes.

• Preocupação com detritos. A fricção de detritos pode ser causada por qualquer detrito (material estranho – geralmente metálico) que pode entrar no pacote de combustível e que tem o potencial de se alojar entre a grade do espaçador e uma vareta de combustível. O desgaste por atrito do revestimento de combustível pode resultar na penetração do revestimento.
• Fretting grade-para-haste. O atrito grade-a-haste surge da vibração do elemento combustível gerada pela alta velocidade do refrigerante através da grade de espaçamento. As grades espaçadoras são soldadas nos tubos guia e garantem, por meio de molas e reentrâncias, o suporte da vareta combustível e o espaçamento. A alta velocidade do refrigerante pode fazer com que a haste esfregue contra a parte da grade do espaçador que a segura. Este tipo de desgaste do revestimento pode ser minimizado pelo projeto adequado da grade de espaçamento. O jateamento defletor geralmente é agrupado sob o desgaste grade-a-haste.

Veja também: AIEA, Revisão de falhas de combustível em reatores refrigerados a água. Nº NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Viena, 2010.

Dureza da Superfície e Resistência ao Desgaste

A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza. Se a dureza do material for maior que a do material abrasivo, ocorrerá menor taxa de desgaste.

O endurecimento da caixa ou endurecimento da superfície é o processo no qual a dureza da superfície (caixa) de um objeto é aprimorada, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. Após esse processo, a dureza da superfície, a resistência ao desgaste e a vida útil à fadiga são aprimoradas. Isso é realizado por vários processos, como um processo de carburação ou nitretação, pelo qual um componente é exposto a uma atmosfera carbonácea ou nitrogenada em temperatura elevada. Como foi escrito, duas características principais do material são influenciadas:

• Dureza e resistência ao desgaste são significativamente melhoradas. Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.
• A tenacidade não é influenciada negativamente. Tenacidade é a capacidade de um material de absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar. Uma definição de tenacidade (para alta taxa de deformação, tenacidade à fratura) é que é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca (ou outro defeito de concentração de tensão) está presente.

Para ferro ou aço com baixo teor de carbono, que tem baixa ou nenhuma temperabilidade própria, o processo de endurecimento envolve a infusão de carbono ou nitrogênio adicional na camada superficial. O endurecimento da caixa é útil em peças como um came ou engrenagem de anel que deve ter uma superfície muito dura para resistir ao desgaste, juntamente com um interior resistente para resistir ao impacto que ocorre durante a operação. Além disso, o endurecimento superficial do aço tem uma vantagem sobre o endurecimento direto (isto é, o endurecimento uniforme do metal em toda a peça), porque os aços de baixo carbono e médio carbono, menos caros, podem ser endurecidos superficialmente sem os problemas de distorção e rachaduras associados ao endurecimento. através do endurecimento de seções espessas. Uma camada de superfície externa rica em carbono ou nitrogênio (ou caso) é introduzido por difusão atômica da fase gasosa. A caixa tem normalmente cerca de 1 mm de profundidade e é mais dura do que o núcleo interno do material.

Materiais Típicos Resistentes ao Desgaste

Em geral, o desgaste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Portanto, existe um material resistente ao desgaste perfeito e, em todos os casos, depende fortemente de muitas variáveis ​​(por exemplo, combinação de materiais, pressão de contato, ambiente, temperatura). A dureza do material está correlacionada com a resistência ao desgaste do material. Se a dureza do material for menor que a dureza do material abrasivo, então a taxa de desgaste é alta. A dureza do material desempenha um papel importante na resistência ao desgaste. Alguns materiais apresentam características especiais de desgaste:

• Ni₃ Al – Liga. O alumineto de níquel é uma liga intermetálica de níquel e alumínio com propriedades semelhantes às de uma cerâmica e de um metal. O alumineto de níquel é o único que possui uma condutividade térmica muito alta combinada com alta resistência em altas temperaturas. Essas propriedades, combinadas com sua alta resistência e baixa densidade, o tornam ideal para aplicações especiais, como revestimento de pás em turbinas a gás e motores a jato. Materiais compostos com ligas à base de Ni₃ Al como uma matriz endurecida por, por exemplo, TiC, ZrO₂, WC, SiC e grafeno, são materiais avançados. Em 2005, o material mais resistente à abrasão foi supostamente criado pela incorporação de diamantes em uma matriz de alumineto de níquel.
• Carboneto de Tungstênio. O desgaste por impacto é o mais importante na mineração e no processamento de minerais. Mineração e processamento mineral exigem máquinas e componentes resistentes ao desgaste, porque as energias e massas dos corpos em interação são significativas. Para isso, devem ser usados ​​materiais com a maior resistência ao desgaste. Por exemplo, o carboneto de tungstênio é usado extensivamente na mineração em brocas de perfuração de rocha de martelo superior, martelos de fundo de poço, cortadores de rolos, cinzéis de arado de parede longa, picaretas de parede longa, alargadores de perfuração ascendente e máquinas de perfuração de túneis.
• Carboneto de Silício. O carboneto de silício é um composto cristalino de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente. Sua fórmula química é SiC. O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, aproximando-se da do diamante. Além da dureza, os cristais de carboneto de silício possuem características de fratura que os tornam extremamente úteis em rebolos. Sua alta condutividade térmica, juntamente com sua resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica e resistência a reações químicas, torna o carboneto de silício valioso na fabricação de aplicações de alta temperatura e outros refratários.
• Ligas Revestidas. O endurecimento por tratamento de superfície pode ser classificado ainda como tratamentos de difusão ou tratamentos de aquecimento localizado. Os métodos de difusão introduzem elementos de liga que entram na superfície por difusão, seja como agentes de solução sólida ou como agentes de endurecimento que auxiliam na formação de martensita durante a têmpera subsequente. Neste processo, a concentração do elemento de liga é aumentada na superfície de um componente de aço. Os métodos de difusão incluem:
• A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades médias) com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão.
• A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão.
• A boretação, também chamada de boronização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas.
• Endurecimento de Titânio-carbono e Titânio-nitreto. Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados ​​nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta. O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica.
• Aços Endurecidos. A fim de aumentar a resistência ao desgaste dos aços, geralmente é realizado o endurecimento baseado na transformação martensítica. O endurecimento por transformação martensítica é um dos métodos mais comuns de endurecimento, que é usado principalmente para aços (isto é, aços carbono e aços inoxidáveis).
• Endurecimento por chama. O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento por indução. O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento a laser. O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente.

Alguns materiais comuns:

• 

  Ferro fundido dúctil. O ferro dúctil, também conhecido como ferro nodular ou ferro de grafite esferoidal, é muito semelhante ao ferro cinzento na composição, mas durante a solidificação o grafite nucleia como partículas esféricas (nódulos) em ferro dúctil, em vez de flocos. As aplicações típicas para este material incluem válvulas, corpos de bombas, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas devido à sua boa usinabilidade, resistência à fadiga e maior módulo de elasticidade (em comparação com o ferro fundido cinzento) e em engrenagens pesadas devido à sua alta resistência ao escoamento e resistência ao desgaste.

• Bronze Alumínio. Os bronzes de alumínio são uma família de ligas à base de cobre que oferecem uma combinação de propriedades mecânicas e químicas inigualáveis ​​por qualquer outra série de ligas. Eles contêm cerca de 5 a 12% de alumínio. O bronze de alumínio encontrou crescente reconhecimento para uma ampla variedade de aplicações que exigem resistência ao desgaste mecânico. Sua resistência ao desgaste é baseada na transferência do metal mais macio (bronze de alumínio) para o metal mais duro (aço) e na formação de uma fina camada de metal mais macio no metal mais duro.

Ciência de materiais:

1. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
2. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
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