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Avaliação do desgaste por fretting
AVALIAÇÃO DO DESGASTE POR ATRITO
Autor:
Duanjie Li, PhD
Revisado por
Jocelyn Esparza
INTRODUÇÃO
Fretting é "um processo de desgaste especial que ocorre na área de contato entre dois materiais sob carga e sujeito a um movimento relativo mínimo por vibração ou alguma outra força". Quando as máquinas estão em operação, as vibrações ocorrem inevitavelmente nas juntas que são aparafusadas ou fixadas por pinos, entre componentes que não se destinam a se mover, e em acoplamentos e rolamentos oscilantes. A amplitude de tal movimento de deslizamento relativo é freqüentemente na ordem de micrômetros a milímetros. Esse movimento repetitivo de baixa amplitude causa um sério desgaste mecânico localizado e transferência de material na superfície, o que pode levar a uma redução da eficiência de produção, do desempenho da máquina ou até mesmo a danos à máquina.
Importância da Quantitativa
Avaliação do desgaste por fretting
O desgaste por atrito geralmente envolve vários mecanismos de desgaste complexos que ocorrem na superfície de contato, incluindo abrasão de dois corpos, adesão e/ou desgaste por fadiga por atrito. Para entender o mecanismo de desgaste por contato e selecionar o melhor material para proteção contra desgaste por contato, é necessária uma avaliação confiável e quantitativa do desgaste por contato. O comportamento do desgaste por contato é significativamente influenciado pelo ambiente de trabalho, como amplitude de deslocamento, carga normal, corrosão, temperatura, umidade e lubrificação. Um versátil tribômetro que possa simular as diferentes condições de trabalho realistas será ideal para avaliação de desgaste por atrito.
Steven R. Lampman, ASM Handbook: Volume 19: Fadiga e Fractura
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Neste estudo, avaliamos os comportamentos de desgaste por atrito de uma amostra de aço inoxidável SS304 em diferentes velocidades e temperaturas de oscilação para mostrar a capacidade de NANOVEA T50 Tribômetro na simulação do processo de desgaste por atrito do metal de uma maneira bem controlada e monitorada.
NANOVEA
T50
CONDIÇÕES DE TESTE
A resistência ao desgaste por atrito de uma amostra de aço inoxidável SS304 foi avaliada por NANOVEA Tribômetro usando o Módulo de Desgaste Linear Reciprocante. Uma esfera de 6 mm de diâmetro foi usada como material do contador. A pista de desgaste foi examinada usando um NANOVEA Perfilador 3D sem contato.
O teste de atrito foi realizado à temperatura ambiente (RT) e 200 °C para estudar o efeito da alta temperatura sobre a resistência ao desgaste por atrito da amostra SS304. Uma placa de aquecimento na fase de amostra aqueceu a amostra durante o teste de atrito a 200 °C. A taxa de desgaste, Kfoi avaliada usando a fórmula K=V/(F×s)onde V é o volume gasto, F é a carga normal, e s é a distância de deslizamento.
Por favor, note que uma bola de WC como material de balcão foi usada como exemplo neste estudo. Qualquer material sólido com diferentes formas e acabamento superficial pode ser aplicado utilizando uma fixação personalizada para simular a situação real de aplicação.
PARÂMETROS DE TESTE
das medidas de desgaste
RESULTADOS & DISCUSSÃO
O perfil da pista de desgaste 3D permite a determinação direta e precisa da perda de volume da pista de desgaste calculada pelo NANOVEA Software de análise de montanhas.
O teste de desgaste recíproco a uma velocidade baixa de 100 rpm e temperatura ambiente exibe uma pequena pista de desgaste de 0,014 mm³. Em comparação, o teste de desgaste por atrito realizado a uma alta velocidade de 1000 rpm cria uma pista de desgaste substancialmente maior com um volume de 0,12 mm³. Esse processo de desgaste acelerado pode ser atribuído ao alto calor e à intensa vibração gerada durante o teste de desgaste por atrito, que promove a oxidação dos detritos metálicos e resulta em severa abrasão de três corpos. O teste de desgaste por atrito a uma temperatura elevada de 200°C. °C forma uma faixa de desgaste maior de 0,27 mm³.
O teste de desgaste por atrito a 1000 rpm tem uma taxa de desgaste de 1,5×10-4 mm³/Nm, que é quase nove vezes comparado com o teste de desgaste recíproco a 100 rpm. O teste de desgaste por atrito a uma temperatura elevada acelera ainda mais a taxa de desgaste para 3,4×10-4 mm³/Nm. Uma diferença tão significativa na resistência ao desgaste medida em diferentes velocidades e temperaturas mostra a importância de simulações adequadas do desgaste por atrito para aplicações realistas.
O comportamento de desgaste pode mudar drasticamente quando pequenas mudanças nas condições de teste são introduzidas no tribosistema. A versatilidade do NANOVEA O Tribômetro permite medir o desgaste sob várias condições, incluindo alta temperatura, lubrificação, corrosão e outras. O controle preciso de velocidade e posição pelo motor avançado permite aos usuários realizar o teste de desgaste a velocidades que variam de 0,001 a 5000 rpm, tornando-o uma ferramenta ideal para laboratórios de pesquisa/teste para investigar o desgaste por atrito em diferentes condições tribológicas.
Pistas de desgaste por fricção em várias condições
sob o microscópio ótico
perfis de tramas de guerra em 3D
proporcionar mais compreensão fundamental
do mecanismo de desgaste por atrito
RESUMO DOS RESULTADOS DAS PISTAS DE DESGASTE
medido usando diferentes parâmetros de teste
CONCLUSÃO
Neste estudo, mostramos a capacidade do NANOVEA Tribômetro na avaliação do comportamento de desgaste por atrito de uma amostra de aço inoxidável SS304 de forma bem controlada e quantitativa.
A velocidade de teste e a temperatura desempenham papéis críticos na resistência ao desgaste por atrito dos materiais. O alto calor e a intensa vibração durante o atrito resultaram em um desgaste substancialmente acelerado da amostra SS304 por cerca de nove vezes. A temperatura elevada de 200 °C aumentou ainda mais a taxa de desgaste para 3,4×10-4 mm3/Nm.
A versatilidade do NANOVEA O Tribômetro o torna uma ferramenta ideal para medir o desgaste por atrito sob várias condições, incluindo alta temperatura, lubrificação, corrosão e outras.
NANOVEA Os tribômetros oferecem testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear compatíveis com ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste a alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. Nossa linha incomparável é uma solução ideal para determinar o escopo total das propriedades tribológicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou grossos, macios ou duros.
Tem um aplicativo semelhante?
Rolamentos de esferas: estudo de resistência ao desgaste de alta força
INTRODUÇÃO
Um rolamento de esferas utiliza esferas para reduzir o atrito rotacional e suportar cargas radiais e axiais. As esferas rolantes entre as pistas do rolamento produzem um coeficiente de atrito (COF) muito menor em comparação com duas superfícies planas deslizando uma contra a outra. Os rolamentos de esferas são frequentemente expostos a altos níveis de tensão de contato, desgaste e condições ambientais extremas, como altas temperaturas. Portanto, a resistência ao desgaste das esferas sob cargas elevadas e condições ambientais extremas é crítica para prolongar a vida útil do rolamento de esferas e reduzir custos e tempo em reparos e substituições.
Os rolamentos de esferas podem ser encontrados em quase todas as aplicações que envolvem peças móveis. Eles são comumente usados em indústrias de transporte, como aeroespacial e automobilística, bem como na indústria de brinquedos que fabrica itens como fidget spinner e skates.
AVALIAÇÃO DO DESGASTE DE ROLAMENTOS DE ESFERAS EM ALTAS CARGAS
Os rolamentos de esferas podem ser fabricados a partir de uma extensa lista de materiais. Os materiais comumente usados variam entre metais como aço inoxidável e aço cromado ou cerâmicas como carboneto de tungstênio (WC) e nitreto de silício (Si3n4). Para garantir que os rolamentos de esferas fabricados possuam a resistência ao desgaste necessária, ideal para as condições de aplicação especificadas, são necessárias avaliações tribológicas confiáveis sob cargas elevadas. Os testes tribológicos auxiliam na quantificação e contraste dos comportamentos de desgaste de diferentes rolamentos de esferas de maneira controlada e monitorada para selecionar o melhor candidato para a aplicação desejada.
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Neste estudo, apresentamos um Nanovea Tribômetro como a ferramenta ideal para comparar a resistência ao desgaste de diferentes rolamentos de esferas sob altas cargas.
Figura 1: Configuração do teste de rolamento.
PROCEDIMENTO DE TESTE
O coeficiente de atrito, COF e a resistência ao desgaste dos rolamentos de esferas feitos de diferentes materiais foram avaliados por um Tribômetro Nanovea. Foi utilizada lixa de grão P100 como contra-material. As cicatrizes de desgaste dos rolamentos de esferas foram examinadas usando um Nanovea Perfilador 3D sem contato após a conclusão dos testes de desgaste. Os parâmetros de teste estão resumidos na Tabela 1. A taxa de desgaste, Kfoi avaliada usando a fórmula K=V/(F×s)onde V é o volume gasto, F é a carga normal e s é a distância de deslizamento. As cicatrizes de desgaste da bola foram avaliadas por um Nanovea Perfilador 3D sem contato para garantir medição precisa do volume de desgaste.
O recurso de posicionamento radial motorizado automatizado permite que o tribômetro diminua o raio da trilha de desgaste durante um teste. Este modo de teste é denominado teste espiral e garante que o rolamento de esferas sempre deslize sobre uma nova superfície da lixa (Figura 2). Melhora significativamente a repetibilidade do teste de resistência ao desgaste na esfera. O codificador avançado de 20 bits para controle de velocidade interno e o codificador de 16 bits para controle de posição externo fornecem informações precisas de velocidade e posição em tempo real, permitindo um ajuste contínuo da velocidade de rotação para atingir velocidade de deslizamento linear constante no contato.
Observe que a lixa P100 Grit foi usada para simplificar o comportamento de desgaste entre vários materiais de esfera neste estudo e pode ser substituída por qualquer outra superfície de material. Qualquer material sólido pode ser substituído para simular o desempenho de uma ampla gama de acoplamentos de materiais sob condições reais de aplicação, como em líquidos ou lubrificantes.
Figura 2: Ilustração dos passes em espiral do rolamento de esferas na lixa.
Tabela 1: Parâmetros de teste das medições de desgaste.
RESULTADOS & DISCUSSÃO
A taxa de desgaste é um fator vital para determinar a vida útil do rolamento de esferas, enquanto um COF baixo é desejável para melhorar o desempenho e a eficiência do rolamento. A Figura 3 compara a evolução do COF para diferentes rolamentos de esferas em relação à lixa durante os testes. A esfera de aço Cr mostra um COF aumentado de ~0,4 durante o teste de desgaste, em comparação com ~0,32 e ~0,28 para rolamentos de esferas SS440 e Al2O3. Por outro lado, a bola de WC apresenta um COF constante de ~0,2 durante todo o teste de desgaste. A variação observável do COF pode ser observada ao longo de cada teste, atribuída às vibrações causadas pelo movimento deslizante dos rolamentos de esferas contra a superfície áspera da lixa.
Figura 3: Evolução do COF durante os testes de desgaste.
A Figura 4 e a Figura 5 comparam as cicatrizes de desgaste dos rolamentos de esferas após serem medidas por um microscópio óptico e pelo perfilador óptico sem contato Nanovea, respectivamente, e a Tabela 2 resume os resultados da análise das trilhas de desgaste. O perfilador Nanovea 3D determina com precisão o volume de desgaste dos rolamentos de esferas, tornando possível calcular e comparar as taxas de desgaste de diferentes rolamentos de esferas. Pode-se observar que as esferas de aço Cr e SS440 apresentam cicatrizes de desgaste achatadas muito maiores em comparação com as esferas cerâmicas, ou seja, Al2O3 e WC após os testes de desgaste. As esferas Cr Steel e SS440 têm taxas de desgaste comparáveis de 3,7×10-3 e 3,2×10-3 m3/N m, respectivamente. Em comparação, a esfera de Al2O3 apresenta uma maior resistência ao desgaste com uma taxa de desgaste de 7,2×10-4 m3/N m. A bola de WC quase não apresenta pequenos arranhões na área superficial da pista de desgaste, resultando em uma taxa de desgaste significativamente reduzida de 3,3×10-6 mm3/N m.
Figura 4: Marcas de desgaste dos rolamentos após os testes.
Figura 5: Morfologia 3D das marcas de desgaste nos rolamentos de esferas.
Tabela 2: Análise de cicatrizes de desgaste dos rolamentos de esferas.
A Figura 6 mostra imagens microscópicas das marcas de desgaste produzidas na lixa pelos quatro rolamentos de esferas. É evidente que a bola de WC produziu o desgaste mais severo (removendo quase todas as partículas de areia em seu caminho) e possui a melhor resistência ao desgaste. Em comparação, as esferas Cr Steel e SS440 deixaram uma grande quantidade de detritos metálicos na trilha de desgaste da lixa.
Estas observações demonstram ainda mais a importância do benefício de um teste em espiral. Garante que o rolamento de esferas sempre deslize sobre uma nova superfície da lixa, o que melhora significativamente a repetibilidade de um teste de resistência ao desgaste.
Figura 6: Marcas de desgaste na lixa contra diferentes rolamentos de esferas.
CONCLUSÃO
A resistência ao desgaste dos rolamentos de esferas sob alta pressão desempenha um papel vital no seu desempenho em serviço. Os rolamentos de esferas de cerâmica possuem resistência ao desgaste significativamente melhorada sob condições de alta tensão e reduzem o tempo e o custo devido ao reparo ou substituição do rolamento. Neste estudo, o rolamento de esferas WC apresenta uma resistência ao desgaste substancialmente maior em comparação com os rolamentos de aço, tornando-o um candidato ideal para aplicações de rolamentos onde ocorre desgaste severo.
Um Tribômetro Nanovea é projetado com capacidade de alto torque para cargas de até 2.000 N e motor preciso e controlado para velocidades de rotação de 0,01 a 15.000 rpm. Ele oferece testes repetíveis de desgaste e fricção usando modos rotativos e lineares em conformidade com ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste e lubrificação em alta temperatura disponíveis em um sistema pré-integrado. Esta gama incomparável permite aos usuários simular diferentes ambientes de trabalho severos dos rolamentos de esferas, incluindo alta tensão, desgaste e alta temperatura, etc. Ela também atua como uma ferramenta ideal para avaliar quantitativamente os comportamentos tribológicos de materiais superiores resistentes ao desgaste sob altas cargas.
Um perfilador sem contato Nanovea 3D fornece medições precisas do volume de desgaste e atua como uma ferramenta para analisar a morfologia detalhada das trilhas de desgaste, fornecendo insights adicionais na compreensão fundamental dos mecanismos de desgaste.
Preparado por
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas e Pierre Leroux
Ferramentas Odontológicas: Análise de Rugosidade Dimensional e Superficial
INTRODUÇÃO
Ter dimensões precisas e rugosidade superficial ideal são vitais para a funcionalidade dos parafusos dentários. Muitas dimensões de parafusos dentários exigem alta precisão, como raios, ângulos, distâncias e alturas de degraus. Compreender a rugosidade da superfície local também é muito importante para qualquer ferramenta ou peça médica inserida dentro do corpo humano para minimizar o atrito de deslizamento.
PERFILOMETRIA SEM CONTATO PARA ESTUDO DIMENSIONAL
Nanovea Perfiladores 3D sem contato use uma tecnologia cromática baseada em luz para medir qualquer superfície de material: transparente, opaca, especular, difusiva, polida ou áspera. Ao contrário da técnica de sonda de toque, a técnica sem contato pode medir dentro de áreas apertadas e não adicionará quaisquer erros intrínsecos devido à deformação causada pela pressão da ponta em um material plástico mais macio. A tecnologia baseada em luz cromática também oferece precisões laterais e de altura superiores em comparação com a tecnologia de variação de foco. Os Nanovea Profilers podem digitalizar grandes superfícies diretamente, sem costura, e perfilar o comprimento de uma peça em poucos segundos. Características de superfície de nano a macro faixa e ângulos de superfície elevados podem ser medidos devido à capacidade do perfilador de medir superfícies sem nenhum algoritmo complexo manipulando os resultados.
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Nesta aplicação, o perfilador óptico Nanovea ST400 foi usado para medir um parafuso dentário ao longo de características planas e roscadas em uma única medição. A rugosidade da superfície foi calculada a partir da área plana e foram determinadas várias dimensões das características roscadas.
Amostra de parafuso dentário analisada por NANOVEA Perfilador óptico.
Amostra de parafuso dentário analisada.
RESULTADOS
Superfície 3D
A visualização 3D e a visualização em cores falsas do parafuso dentário mostram uma área plana com rosqueamento começando em ambos os lados. Ele fornece aos usuários uma ferramenta simples para observar diretamente a morfologia do parafuso de diferentes ângulos. A área plana foi extraída da varredura completa para medir sua rugosidade superficial.
Análise de superfície 2D
Perfis de linha também podem ser extraídos da superfície para mostrar uma vista em corte transversal do parafuso. A análise de contorno e estudos de altura do degrau foram utilizados para medir dimensões precisas em um determinado local do parafuso.
CONCLUSÃO
Nesta aplicação, demonstramos a capacidade do Nanovea 3D Non-Contact Profiler de calcular com precisão a rugosidade da superfície local e medir grandes características dimensionais em uma única varredura.
Os dados mostram uma rugosidade superficial local de 0,9637 μm. O raio do parafuso entre as roscas foi de 1,729 mm e as roscas tinham altura média de 0,413 mm. O ângulo médio entre os fios foi determinado em 61,3°.
Os dados mostrados aqui representam apenas uma parte dos cálculos disponíveis no software de análise.
Preparado por
Duanjie Li, PhD., Jonathan Thomas e Pierre Leroux
Cerâmica: Mapeamento rápido de nanoindentação para detecção de grãos
INTRODUÇÃO
Nanoindentação tornou-se uma técnica amplamente aplicada para medir comportamentos mecânicos de materiais em pequenas escalasi ii. As curvas de carga-deslocamento de alta resolução de uma medição de nanoindentação podem fornecer uma variedade de propriedades físico-mecânicas, incluindo dureza, módulo de Young, fluência, tenacidade à fratura e muitas outras.
Importância do recuo de mapeamento rápido
Um gargalo significativo para uma maior popularização da técnica de nanoindentação é o consumo de tempo. Um mapeamento de propriedades mecânicas por procedimento convencional de nanoindentação pode facilmente levar horas, o que dificulta a aplicação da técnica em indústrias de produção em massa, como semicondutores, aeroespacial, MEMS, produtos de consumo como revestimentos cerâmicos e muitos outros.
O mapeamento rápido pode ser essencial na indústria de fabricação de revestimentos cerâmicos. Os mapeamentos de dureza e módulo de Young em um único revestimento cerâmico podem apresentar uma distribuição de dados que indica o quão homogênea é a superfície. Regiões mais suaves em um bloco podem ser delineadas neste mapeamento e mostrar locais mais propensos a falhas devido a impactos físicos que acontecem no dia a dia na residência de alguém. Os mapeamentos podem ser feitos em diferentes tipos de ladrilhos para estudos comparativos e em um lote de ladrilhos semelhantes para medir a consistência dos ladrilhos em processos de controle de qualidade. A combinação de configurações de medições pode ser extensa, bem como precisa e eficiente com o método de mapeamento rápido.
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Neste estudo, a Nanovea Testador Mecânico, no modo FastMap é usado para mapear as propriedades mecânicas de um piso em altas velocidades. Demonstramos a capacidade do Nanovea Mechanical Tester em realizar dois mapeamentos rápidos de nanoindentação com alta precisão e reprodutibilidade.
Condições de teste
O Nanovea Mechanical Tester foi usado para realizar uma série de nanoindentações com o modo FastMap em um piso usando um penetrador Berkovich. Os parâmetros de teste estão resumidos abaixo para as duas matrizes de recuo criadas.
Tabela 1: Resumo dos parâmetros de teste.
RESULTADOS & DISCUSSÃO
Figura 1: Visualização 2D e 3D do mapeamento de dureza de 625 recuos.
Figura 2: Micrografia de matriz de 625 travessões mostrando grãos.
Uma matriz de 625 indentações foi conduzida em uma matriz de 0,20mm2 área com grande grão visível presente. Este grão (Figura 2) apresentou dureza média inferior à superfície total da telha. O software Nanovea Mechanical permite ao usuário ver o mapa de distribuição de dureza nos modos 2D e 3D, representados na Figura 1. Usando o controle de posição de alta precisão do estágio de amostra, o software permite aos usuários direcionar áreas como essas para obter detalhes em profundidade. mapeamento de propriedades mecânicas.
Figura 3: Visualização 2D e 3D do mapeamento de dureza de 1600 recuos.
Figura 4: Micrografia da matriz de 1600 recuos.
Uma matriz de 1600 recuos também foi criada no mesmo ladrilho para medir a homogeneidade da superfície. Aqui, novamente, o usuário tem a capacidade de ver a distribuição de dureza no modo 3D ou 2D (Figura 3), bem como a imagem microscópica da superfície recortada. Com base na distribuição de dureza apresentada, pode-se concluir que o material é poroso devido à dispersão uniforme dos pontos de dados de alta e baixa dureza.
Comparado aos procedimentos convencionais de nanoindentação, o modo FastMap neste estudo consome substancialmente menos tempo e é mais econômico. Ele permite o mapeamento quantitativo rápido de propriedades mecânicas, incluindo Dureza e Módulo de Young, e fornece uma solução para detecção de grãos e consistência de material, o que é fundamental para o controle de qualidade de uma variedade de materiais na produção em massa.
CONCLUSÃO
Neste estudo, demonstramos a capacidade do Nanovea Mechanical Tester em realizar mapeamento de nanoindentação rápido e preciso usando o modo FastMap. Os mapas de propriedades mecânicas do revestimento cerâmico utilizam o controle de posição (com precisão de 0,2 µm) dos estágios e a sensibilidade do módulo de força para detectar grãos superficiais e medir a homogeneidade de uma superfície em alta velocidade.
Os parâmetros de teste utilizados neste estudo foram determinados com base no tamanho da matriz e do material da amostra. Uma variedade de parâmetros de teste pode ser escolhida para otimizar o tempo total do ciclo de indentação para 3 segundos por indentação (ou 30 segundos para cada 10 indentações).
Todos os módulos Nano e Micro do Testador Mecânico Nanovea incluem modos de teste de indentação, desgaste e desgaste em conformidade com ISO e ASTM, fornecendo a gama de testes mais ampla e fácil de usar disponível em um único sistema. A linha incomparável da Nanovea é uma solução ideal para determinar toda a gama de propriedades mecânicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou espessos, macios ou duros, incluindo dureza, módulo de Young, tenacidade à fratura, adesão, resistência ao desgaste e muitos outros.
Além disso, o perfilador 3D sem contato opcional e o módulo AFM estão disponíveis para imagens 3D de alta resolução de indentação, arranhões e marcas de desgaste, além de outras medições de superfície, como rugosidade.
Autor: Duanjie Li, PhD Revisado por Pierre Leroux e Jocelyn Esparza
