Notas de aplicação de tribologia de alta temperatura - NANOVEA: Profilômetros, tribômetros, nanoindentadores e testadores de arranhões avançados para testes de materiais

Dureza de Arranhão a Alta Temperatura usando um Tribômetro

nanovea — Qui, 14 de julho de 2022 16:56:16 +0000

DUREZA DE ARRANHÕES A ALTAS TEMPERATURAS

USANDO UM TRIBÔMETRO

Preparado por

DUANJIE, PhD

INTRODUÇÃO

A dureza mede a resistência dos materiais à deformação permanente ou plástica. Desenvolvido originalmente por um mineralogista alemão Friedrich Mohs em 1820, o teste de dureza de arranhões determina a dureza de um material a arranhões e abrasão devido ao atrito de um objeto cortante.¹. A escala de Mohs é um índice comparativo e não uma escala linear, portanto uma medição de dureza de arranhões mais precisa e qualitativa foi desenvolvida como descrito na norma ASTM G171-03.². Ele mede a largura média do risco criado por um estilete de diamante e calcula o número de dureza do risco (HSP).

IMPORTÂNCIA DA MEDIÇÃO DA DUREZA DOS ARRANHÕES EM ALTAS TEMPERATURAS

Os materiais são selecionados com base nas exigências do serviço. Para aplicações que envolvem mudanças significativas de temperatura e gradientes térmicos, é fundamental investigar as propriedades mecânicas dos materiais a altas temperaturas para estar plenamente ciente dos limites mecânicos. Os materiais, especialmente os polímeros, geralmente amolecem a altas temperaturas. Muitas falhas mecânicas são causadas pela deformação por fluência e fadiga térmica ocorrendo apenas a temperaturas elevadas. Portanto, uma técnica confiável para medir a dureza a altas temperaturas é necessária para garantir uma seleção adequada dos materiais para aplicações a altas temperaturas.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Neste estudo, o Tribômetro NANOVEA T50 mede a dureza ao risco de uma amostra de Teflon em diferentes temperaturas, desde a temperatura ambiente até 300ºC. A capacidade de realizar medições de dureza a riscos em alta temperatura torna o NANOVEA Tribômetro um sistema versátil para avaliações tribológicas e mecânicas de materiais para aplicações em altas temperaturas.

NANOVEA

T50

CONDIÇÕES DE TESTE

O Tribômetro NANOVEA T50 Free Weight Standard foi usado para realizar os testes de dureza de arranhões em uma amostra de Teflon a temperaturas que variam da temperatura ambiente (RT) a 300°C. O teflon tem um ponto de derretimento de 326,8°C. Foi utilizada uma ponta diamantada cônica de ângulo de ápice de 120° com raio de ponta de 200 µm. A amostra de teflon foi fixada no estágio rotativo da amostra com uma distância de 10 mm até o centro do estágio. A amostra foi aquecida por um forno e testada a temperaturas de RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C e 300°C.

PARÂMETROS DE TESTE

da medição da dureza de arranhões a alta temperatura

FORÇA NORMAL	2 N
VELOCIDADE DE DESLIZAMENTO	1 mm/s
DISTÂNCIA DE DESLIZAMENTO	8mm por temperatura
ATMOSPHERE	Ar
TEMPERATURA	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RESULTADOS & DISCUSSÃO

Os perfis de arranhões da amostra de Teflon em diferentes temperaturas são mostrados no FIGURA 1 para comparar a dureza do arranhão em diferentes temperaturas elevadas. O acúmulo de material nas bordas da trilha de arranhão se forma à medida que a ponta se desloca a uma velocidade constante viaja com uma carga constante de 2 N e arado na amostra de Teflon, empurrando e deformando o material no arranhão para o lado.

Os rastros de arranhões foram examinados sob o microscópio ótico, como mostrado na FIGURA 2. As larguras dos arranhões medidas e os números calculados de dureza de arranhão (HSP) são resumidos e comparados na FIGURA 3. A largura do arranhão medida pelo microscópio está de acordo com a medida usando o Perfilômetro NANOVEA - a amostra de Teflon exibe uma largura de arranhão maior a temperaturas mais altas. Sua largura de arranhão aumenta de 281 para 539 µm à medida que a temperatura se eleva de RT para 300oC, resultando na diminuição do HSP de 65 para 18 MPa.

A dureza dos arranhões em temperaturas elevadas pode ser medida com alta precisão e repetibilidade usando o Tribômetro NANOVEA T50. Ele fornece uma solução alternativa a partir de outras medições de dureza e faz do NANOVEA Tribometer um sistema mais completo para avaliações tribo-mecânicas abrangentes em alta temperatura.

FIGURA 1: Perfis de arranhões após os testes de dureza de arranhão em diferentes temperaturas.

FIGURA 2: Arranhões sob o microscópio após as medições em diferentes temperaturas.

FIGURA 3: Evolução da largura da pista de Arranhões e da dureza da Arranhão em relação à temperatura.

CONCLUSÃO

Neste estudo, mostramos como o Tribômetro NANOVEA mede a dureza dos arranhões a temperaturas elevadas em conformidade com a norma ASTM G171-03. O teste de dureza de arranhões com carga constante fornece uma solução alternativa simples para comparar a dureza dos materiais usando o tribômetro. A capacidade de realizar medições de dureza de arranhões a temperaturas elevadas faz do Tribômetro NANOVEA uma ferramenta ideal para avaliar as propriedades tribo-mecânicas de materiais a altas temperaturas.

O Tribômetro NANOVEA também oferece testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear conforme ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste a alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. O Perfilômetro 3D sem contato opcional está disponível para imagens 3D de alta resolução de faixas de desgaste, além de outras medições de superfície, como rugosidade.

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Teste de arranhão de metais e polímeros: Experimentos e numéricos". Desgaste 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus

Tem um aplicativo semelhante?

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Medição de Desgaste In Situ em Alta Temperatura

Andrew Shore — Ter, 29 de dezembro de 2020 22:20:45 +0000

MEDIÇÃO DE DESGASTE IN SITU EM ALTA TEMPERATURA

USANDO O TRIBÔMETRO

Preparado por

Duanjie Li, PhD

INTRODUÇÃO

O Transformador Diferencial Linear Variável (LVDT) é um tipo de transformador elétrico robusto usado para medir o deslocamento linear. Tem sido amplamente utilizado em diversas aplicações industriais, incluindo turbinas de potência, hidráulica, automação, aeronaves, satélites, reatores nucleares, e muitas outras.

Neste estudo, apresentamos os add-ons de LVDT e módulos de alta temperatura do NANOVEA Tribômetro que permitem que a alteração da profundidade da trilha de desgaste da amostra testada seja medida durante o processo de desgaste em temperaturas elevadas. Isso permite aos usuários correlacionar diferentes estágios do processo de desgaste com a evolução do COF, o que é fundamental para melhorar a compreensão fundamental do mecanismo de desgaste e das características tribológicas dos materiais para aplicações em altas temperaturas.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Neste estudo, gostaríamos de mostrar a capacidade do Tribômetro NANOVEA T50 para monitorar in situ a evolução do processo de desgaste dos materiais a temperaturas elevadas.

O processo de desgaste da cerâmica de silicato de alumina a diferentes temperaturas é simulado de forma controlada e monitorada.

NANOVEA

T50

PROCEDIMENTO DE TESTE

O comportamento tribológico, por exemplo, coeficiente de atrito, COF e resistência ao desgaste das placas cerâmicas de silicato de alumina foi avaliado pelo Tribômetro NANOVEA. A placa cerâmica de silicato de alumina foi aquecida por um forno desde a temperatura ambiente, RT, até temperaturas elevadas (400°C e 800°C), seguido pelos testes de desgaste a tais temperaturas.

Para comparação, os testes de desgaste foram realizados quando a amostra esfriou de 800°C para 400°C e depois para a temperatura ambiente. Uma ponta esférica AI2O3 (6mm de diâmetro, grau 100) foi aplicada contra as amostras testadas. O COF, a profundidade de desgaste e a temperatura foram monitorados in situ.

PARÂMETROS DE TESTE

da medição pin-on-disk

A taxa de desgaste, K, foi avaliada usando a fórmula K=V/(Fxs)=A/(Fxn), onde V é o volume gasto, F é a carga normal, s é a distância de deslizamento, A é a área da seção transversal da pista de desgaste, e n é o número de revolução. A rugosidade da superfície e os perfis da pista de desgaste foram avaliados pelo Perfurador Óptico NANOVEA, e a morfologia da pista de desgaste foi examinada usando um microscópio ótico.

RESULTADOS & DISCUSSÃO

O COF e a profundidade da pista de desgaste registrados in situ são mostrados no FIGURA 1 e FIGURA 2, respectivamente. No FIGURA 1, "-I" indica o teste realizado quando a temperatura foi aumentada de RT para uma temperatura elevada. O "-D" representa a diminuição da temperatura a partir de uma temperatura mais alta de 800°C.

Como mostrado no FIGURA 1, as amostras testadas em diferentes temperaturas exibem um COF comparável de ~0,6 ao longo das medições. Um COF tão elevado leva a um processo de desgaste acelerado que cria uma quantidade substancial de detritos. A profundidade da pista de desgaste foi monitorada durante os testes de desgaste por LVDT, como mostrado na FIGURA 2. Os testes realizados à temperatura ambiente antes do aquecimento da amostra e após o resfriamento da amostra mostram que a placa cerâmica de silicato de alumina apresenta um processo de desgaste progressivo em RT, a profundidade da pista de desgaste aumenta gradualmente durante todo o teste de desgaste para ~170 e ~150 μm, respectivamente.

Em comparação, os testes de desgaste em temperaturas elevadas (400°C e 800°C) apresentam um comportamento de desgaste diferente - a profundidade da pista de desgaste aumenta prontamente no início do processo de desgaste, e diminui à medida que o teste continua. A profundidade da pista de desgaste para testes realizados em temperaturas 400°C-I, 800°C e 400°C-D é de ~140, ~350 e ~210 μm, respectivamente.

FIGURA 1. Coeficiente de Fricção durante os testes pin-on-disk a diferentes temperaturas

FIGURA 2. Evolução da profundidade da pista de desgaste da placa cerâmica de silicato de alumina a diferentes temperaturas

A taxa média de desgaste e a profundidade da pista de desgaste das placas cerâmicas de silicato de alumina em diferentes temperaturas foram medidas usando NANOVEA Profiler Óptico, conforme resumido em FIGURA 3. A profundidade da pista de desgaste está de acordo com o registrado usando LVDT. A placa cerâmica de silicato de alumina apresenta uma taxa de desgaste substancialmente aumentada de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, em comparação com as taxas de desgaste abaixo de 0,2 mm3/N a temperaturas abaixo de 400°C. A placa cerâmica de silicato de alumina não apresenta propriedades mecânicas/tribológicas significativamente melhoradas após o curto processo de aquecimento, possuindo uma taxa de desgaste comparável antes e depois do tratamento térmico.

A cerâmica de silicato de alumina, também conhecida como lava e pedra milagrosa, é macia e maquinável antes do tratamento térmico. Um longo processo de queima a temperaturas elevadas de até 1093°C pode aumentar substancialmente sua dureza e resistência, após o que é necessária a usinagem com diamante. Tal característica única torna a cerâmica de silicato de alumina um material ideal para escultura.

Neste estudo, mostramos que o tratamento térmico a uma temperatura mais baixa que o necessário para a queima (800°C vs 1093°C) em pouco tempo não melhora as características mecânicas e tribológicas da cerâmica de silicato de alumina, tornando a queima adequada um processo essencial para este material antes de sua utilização nas aplicações reais.

FIGURA 3. Taxa de desgaste e profundidade da pista de desgaste da amostra em diferentes temperaturas

CONCLUSÃO

Com base na análise tribológica abrangente deste estudo, mostramos que a placa cerâmica de silicato de alumina apresenta coeficiente de atrito comparável em diferentes temperaturas desde a temperatura ambiente até 800°C. No entanto, mostra uma taxa de desgaste substancialmente aumentada de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, demonstrando a importância de um tratamento térmico adequado desta cerâmica.

Os Tribômetros NANOVEA são capazes de avaliar as propriedades tribológicas dos materiais para aplicações a altas temperaturas de até 1000°C. A função de medições in situ do COF e da profundidade da pista de desgaste permite aos usuários correlacionar diferentes estágios do processo de desgaste com a evolução do COF, o que é fundamental para melhorar a compreensão fundamental do mecanismo de desgaste e das características tribológicas dos materiais utilizados em temperaturas elevadas.

Os Tribômetros NANOVEA oferecem testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear conforme ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste a alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. A gama inigualável da NANOVEA é uma solução ideal para determinar a gama completa de propriedades tribológicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou grossos, macios ou duros.

Os perfis opcionais 3D sem contato estão disponíveis para imagens 3D de alta resolução de faixas de desgaste, além de outras medidas de superfície, tais como rugosidade.

Tem um aplicativo semelhante?

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Desgaste Rotativo ou Linear e COF? (Um estudo abrangente usando o tribometro Nanovea)

nanovea — Quarta, 10 de julho de 2019 20:42:37 +0000

Desgaste é o processo de remoção e deformação do material em uma superfície como resultado da ação mecânica da superfície oposta. É influenciado por uma variedade de fatores, incluindo deslizamento unidirecional, rolamento, velocidade, temperatura e muitos outros. O estudo do desgaste, tribologia, abrange muitas disciplinas, desde física e química até engenharia mecânica e ciência dos materiais. A natureza complexa do desgaste requer estudos isolados sobre mecanismos ou processos de desgaste específicos, como desgaste adesivo, desgaste abrasivo, fadiga superficial, desgaste por atrito e desgaste erosivo. No entanto, o “Desgaste Industrial” geralmente envolve múltiplos mecanismos de desgaste que ocorrem em sinergia.

Os testes de desgaste linear alternativo e rotativo (pino no disco) são duas configurações amplamente utilizadas em conformidade com ASTM para medir comportamentos de desgaste por deslizamento de materiais. Como o valor da taxa de desgaste de qualquer método de teste de desgaste é frequentemente usado para prever a classificação relativa das combinações de materiais, é extremamente importante confirmar a repetibilidade da taxa de desgaste medida usando diferentes configurações de teste. Isso permite que os usuários considerem cuidadosamente o valor da taxa de desgaste relatado na literatura, o que é fundamental para a compreensão das características tribológicas dos materiais.

Avaliando pastilhas de freio com Tribologia

nanovea — Qui, 04 de abril de 2019 20:44:04 +0000

Importância de avaliar o desempenho do Break Pad

As pastilhas de freio são compostas, um material composto de múltiplos ingredientes, que deve ser capaz de satisfazer um grande número de requisitos de segurança. As pastilhas de freio ideais têm alto coeficiente de atrito (COF), baixa taxa de desgaste, ruído mínimo, e permanecem confiáveis sob ambientes variados. Para garantir a qualidade das pastilhas de freio capazes de satisfazer suas exigências, os testes tribológicos podem ser usados para identificar especificações críticas.

A importância da confiabilidade das pastilhas de freio é muito alta; a segurança dos passageiros nunca deve ser negligenciada. Portanto, é fundamental replicar as condições de operação e identificar possíveis pontos de falha.
Com a Nanovea Tribômetro, uma carga constante é aplicada entre um pino, uma esfera ou um material plano e um contra-material em constante movimento. O atrito entre os dois materiais é coletado com uma célula de carga rígida, permitindo a coleta de propriedades do material em diferentes cargas e velocidades e testado em ambientes de alta temperatura, corrosivos ou líquidos.

Objetivo da medição

Neste estudo, o coeficiente de atrito das pastilhas de freio foi estudado sob um ambiente de temperatura continuamente crescente desde a temperatura ambiente até 700°C. A temperatura ambiente foi aumentada in-situ até que uma falha notável das pastilhas de freio fosse observada. Um termopar foi fixado na parte de trás do pino para medir a temperatura perto da interface deslizante.

Procedimento e procedimentos de teste

Resultados e Discussão

Este estudo se concentra principalmente na temperatura na qual as pastilhas de freio começam a falhar. O COF obtido não representa valores reais; o material dos pinos não é o mesmo que os rotores de freio. Deve-se notar também que os dados de temperatura coletados são a temperatura do pino e não a temperatura da interface deslizante.

No início do teste (temperatura ambiente), o COF entre o pino SS440C e a pastilha de freio deu um valor consistente de aproximadamente 0,2. Conforme a temperatura aumentava, o COF aumentava constantemente e atingia um valor máximo de 0,26 perto de 350°C. Depois de 390°C, o COF rapidamente começa a diminuir. O COF começou a aumentar de volta para 0,2 a 450°C, mas começou a diminuir para um valor de 0,05 pouco depois.

A temperatura na qual as pastilhas de freio falharam consistentemente é identificada a temperaturas acima de 500°C. Passada esta temperatura, o COF não foi mais capaz de reter o COF inicial de 0,2.

Conclusão

As pastilhas de freio têm mostrado falhas consistentes a uma temperatura acima de 500°C. Seu COF de 0,2 aumenta lentamente até um valor de 0,26 antes de cair para 0,05 no final do teste (580°C). A diferença entre 0,05 e 0,2 é um fator de 4. Isto significa que a força normal a 580°C deve ser quatro vezes maior do que à temperatura ambiente para atingir a mesma força de parada!

Embora não incluído neste estudo, o Nanovea Tribometer também é capaz de realizar testes para observar outra propriedade importante das pastilhas de freio: a taxa de desgaste. Utilizando nossos profilômetros 3D sem contato, o volume da pista de desgaste pode ser obtido para calcular com que rapidez as amostras de desgaste. Os testes de desgaste podem ser conduzidos com o Nanovea Tribometer sob diferentes condições e ambientes de teste para melhor simular as condições de operação.

AGORA, VAMOS FALAR SOBRE SUA APLICAÇÃO

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Dureza de Arranhão a Alta Temperatura usando Tribômetro

nanovea — Ter, 24 de novembro de 2015 15:34:17 +0000

Os materiais são selecionados com base nas exigências do serviço. Para aplicações que envolvem mudanças significativas de temperatura e gradientes térmicos, é fundamental investigar as propriedades mecânicas dos materiais a altas temperaturas para estar plenamente ciente dos limites mecânicos. Os materiais, especialmente os polímeros, geralmente amolecem a altas temperaturas. Muitas falhas mecânicas são causadas pela deformação por fluência e fadiga térmica ocorrendo apenas a temperaturas elevadas. Portanto, uma técnica confiável para medir a dureza de arranhões a altas temperaturas é necessária para garantir uma seleção adequada dos materiais para aplicações a altas temperaturas.

Dureza de Arranhão a Alta Temperatura usando Tribômetro

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