Apresentação - Laboratório de Fenômenos de Superfície

ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
FZG-LASC
Nome : Fábio Koda
Orientador: Dr. Carlos Henrique da Silva
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
SUMÁRIO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
INTRODUÇÃO
REVISÃO BIBRIOGRÁFICA (Movimentos das engrenagens e PHC)
EQUIPAMENTO FZG
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
RESULTADOS
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS’
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
INTRODUÇÃO
Os ensaios tribológicos de campo:
•se caracterizam por apresentar variáveis do sistema “pouco controladas”,
•elevado custo (interrupção de processo produtivo),
• representam exatamente o sistema estudado.
Os ensaios de laboratório:
•excelente controle de variáveis,
• dificuldade na transferência de resultados, principalmente devido às simplificações inerentes
aos ensaios de desgaste acelerados de bancada.
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
INTRODUÇÃO
O modelamento matemático:
•Dificuldades na transferência dos resultados,
•A inevitável escolha das condições de contorno e a complexidade da modelagem dos
fenômenos que ocorrem nas superfícies dos materiais durante movimentos relativos, são
as desvantagens desta técnica.(HUTCHINGS,1992)
Os FFNAs:
•Resistência quanto à utilização de engrenagens de FFNA
São materiais de grande interesse (cerca de 10% em relação ao aço)
• Apresentam elevada absorção de vibrações
• Uma resistência ao desgaste muito elevada em condições de funcionamento
desfavoráveis, como falhas momentânea do sistema de lubrificação (HARDING, 1986).
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ENGRENAGENS (FZG)
INTRODUÇÃO
Figura 1: Relação entre Custo e
Limite de Escoamento
(CARMO,2000)
Figura 2- Comparação esquemática de custo entre
peças sem ser fundidas e
fundidas (http://www.ductile.org.didata/index.htm Ductile Iron Data for design
engineers)
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ENGRENAGENS (FZG)
to
en
ento
to
lamento
n
me
A direção de rolamento é da raiz para
o topo na engrenagem motora e do
topo para raiz na engrenagem movida
.A direção de deslizamento na motora
é sempre da linha primitiva para fora
ito
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A situação onde a
velocidade de deslizamento
é oposta à de rolamento é
conhecida como “ação de
aproximação”,
Dire
Dir
o de ro
lamento
inversão da direção de deslizamento relativa
à direção de rolamento das engrenagens
movidas para motoras.
Entretanto, na raiz da engrenagem movida, a
direção de deslizamento é oposta à de rolamento,
enquanto para o topo ela é a mesma. a velocidade
de deslizamento da raiz e do topo para dentro
(inwards) da linha primitiva
m
ola
er
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
= as direções de
rolamento e
deslizamento é
conhecida como
“ação de pausa”
Figura 3: Rolamento e
deslizamento no contato de
dentes de engrenagens.
(WRIGTH, 2001)
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
• A ação de aproximação é algumas vezes considerada ser mais danosa do que
a ação de pausa e consequentemente, modificações para perfis de engrenagens
tem sido tentada em ordem de aumentar a proporção do ciclo de engrenamento
(meshing) o qual é sujeito a ação de pausa.
•Se a ação de aproximação é mais danosa, deveria esperar a encontrar um
grande desgaste na região da raiz das engrenagens motoras do que o topo.
•No contato de rolamento puro, os campos de tensões sub superficiais são
criados ao redor do ponto de contato. No caso do contato não conforme forma-se
uma linha de contato, como são encontradas nas engrenagens engrenadas
estas tensões podem ser aproximadas usando o modelo do contato por cilindros
[1] primeiramente proposto por HERTZ.
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
PHC
A teoria de Hertz, para a determinação de tensões que ocorrem em superfícies
em contato, se baseia nas seguintes condições:
• Os materiais em contato são homogêneos e as tensões não excedem a de escoamento
• As tensões de contato são causadas por uma força a qual é normal ao plano de contato o que
efetivamente significa que não há forças atuando entre os sólidos (cilindros).
• A área de contato é muito pequena comparada com a área de contato entre os sólidos
(cilindros).
• Os sólidos em contato estão em repouso e equilíbrio.
• O efeito da rugosidade superficial é desconsiderado.
Como no caso da engrenagem podemos considerar que o contato se dá por dois cilindros na
região do diâmetro primitivo aonde haverá somente rolamento daremos enfoque somente o
contato entre dois cilindros paralelos.
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Segundo Stachowiak e Bachelor (2000) as tensões no contato entre os flancos de engrenagens
podem ser calculadas:
•Mediante uma simplificação quando à sua geometria.
•As tensões desenvolvidas no contato entre dois cilindros são equivalentes àquelas obtidas
com engrenagens.
Figura 4 – Contato entre dois cilindros paralelos. atrito (STACHOWIAK
e BATCHELOR,2000)
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ENGRENAGENS (FZG)
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A Tabela 1 apresenta um resumo das equações
Tabela 1 – Formulário para determinação das tensões de contato segundo Hertz
(Stachowiak e Batchelor,2000).
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ENGRENAGENS (FZG)
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Geralmente, há dois tipos de fadiga de contato superficial:
pitting : Pitting aparece como crateras rasas em superfícies de contato. A profundidade
máxima de um pit é aproximadamente a espessura da camada encruada (10 mm).
spalling: spalling aparece como cavidades mais profundas (tipicamente 20-100 mm) das
superfícies em contato com uma profundidade de 0.25 a 0.35 da meia largura de contato
(denotada geralmente como "c" na literatura da mecânica da fratura).
A Figura 5 ilustra os fenômenos de pitting e spalling
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Figura 5 – Ilustração esquemática do fenômeno de pitting e spalling (DING,2003).
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EQUIPAMENTO FZG
FOTOS DA MÁQUINA
Figura 6– FZG
Figura 7– FZG
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EQUIPAMENTO FZG
FOTOS DA MÁQUINA
Figura 8– FZG
Figura 9– FZG
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
•CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
Propriedades mecânicas, dureza e parâmetros de fabricação
•Dureza
Tabela 02- Parâmetros e resultados das medições de dureza
•Propriedades Mecânicas
Tabela 03- Propriedades mecânicas dos materiais ensaiados (Matweb, 2008)
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
•TRATAMENTO TÉRMICO DOS CORPOS-DE-PROVA
RESFRIAMENTO
MATERIAL
Ferro fundido nodular no estado
bruto de fundição
AUSTENITIZAÇÃO
AUSTÊMPERA
Temperatura = 270ºC
Tempo = 2 horas
Meio = banho de sais
Temperatura = 890ºC
Tempo = 2 horas
(a)
MATERIAL
Aço AISI 8620 estado bruto de
fornecimento
CEMENTAÇÃO
Austenitização = 880ºC
Tempo = 16 horas
Têmpera
Temperatura do óleo = 130ºC
Tempo = 5 minutos
Ao ar
MATERIAL FINAL
Ferro Fundido Nodular
austemperado (FNA) com matriz
bainítica
MATERIAL FINAL
Aço 8620 cementado e
temperado
(b)
Figura 10 – (a) Tratamento Térmico para FNA, (b) Tratamento Térmico para o aço AISI 8620.
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ENGRENAGENS (FZG)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
•CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
Propriedades mecanicas, dureza e parametros de fabricação
•Parâmetros de fabricação
Figura 12- Sobreposição para verificação
Tabela 4 – Parâmetros de fabricação das engrenagens
Figura 11- Engrenagem tipo C14
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Engrenagens tipo C14
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ENGRENAGENS (FZG)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
•CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA
A Figura 13 mostra um desenho esquemático detalhado do equipamento FZGLASCA
A Figura 14 apresenta um esquema de nomenclatura dos corpos-de-prova.
Figura 13 - Desenho esquemático da máquina FZGLASC.
Figura 14 - Desenho esquemático da máquina FZGLASC.
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
AÇO FFNA
•ENSAIOS
Pitting 6 hrs
A Figura 15 mostra
os
ensaios
realizados
Obs velocidade das
coroas 967 rpm.
FFNA
Pitting 10 hrs
ENSAIOS
A Tabela 5 e 6 as
condições
dos
ensaios
Running-in
2 hrs
Tabela 5: Parâmetros para o
amaciamento
Pitting 6 hrs
Tabela 6: Condições de Ensaio
Pitting 14 hrs
AÇO
Pitting 28 hrs
Pitting 56 hrs
Pitting 84 hrs
Figura 15: Etapas do ensaio
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ENGRENAGENS (FZG)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC
Figura 16– FZG
Figura 17– FZG
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ENGRENAGENS (FZG)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC PARA RUGOSIDADE
•ACABAMENTO SUPERFÍCIAL
Os dados de rugosidade foram coletados seguindo as direções
mostradas na Figura 18 tanto para as medições no Surtronic 25 e no
Form Taly Surf Series 2.
Figura 18 - Desenho esquemático da máquina FZGLASC.
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC PARA RUGOSIDADE
•ACABAMENTO SUPERFÍCIAL
Tabela 7 para as medições no Surtronic 25 e Tabela 2 para o Form Taly Surf Series
2.
Tabela 7 - Parâmetros de medições (Surtronic 25).
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ENGRENAGENS (FZG)
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC PARA RUGOSIDADE
•ANÁLISE DE IMAGEM
As imagens do flanco dos dentes dos pinhões foram obtidas após no estado
de fornecimento e após cada etapa de ensaio:
A partir do início da ocorrência dos danos nos flancos, foi medido o
percentual da área danificada levando em consideração a área ativa de todos os
dentes.
Os dados da somatória da quantidade de danos em relação à área ativa
total estão apresentados na Tabela 8.
Tabela 8 - Percentual de área danificada em relação a somatória de todas as áreas
ativas dos flancos
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
RESULTADOS
•
Tabela 9- Quantificação da área danificada em relação a
somatória de todas as áreas ativas do flanco.
ANÁLISE DE IMAGEM
A Tabela 9 mostra a
evolução dos danos no dente
B de FFNA e no dente C de
aço AISI 8620.
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
RESULTADOS
•
RUGOSIDADE↓
•↑ Rvk and Rz depois do
estagio de running-in para
ADI indicando a presença
de vales profundos (micro
ou pittings).
•Os parâmetros de
rugosidade após running-in
só aumentaram para FFNA.
•Depois de 6 horas de
pitting os parâmetros
tendem a aumentar devido
a presença de alguns danos
•Continuando os
experimentos, os
parâmetros aumentam
significativamente devido a
gradual evolução dos danos
(fig. 9 c e d)
Figura 19 – Rugosidade em cada etapa dos ensaios: (a) fornecimento, (b) running-in,
(c) 6 horas do ensaio de pitting para FNA e aço, (d) 10 horas da etapa de pitting para
o FNA e 14 horas para o aço.
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ENGRENAGENS (FZG)
RESULTADOS
•
PHC
Tabela 10 - Resultados das tensões de Hertz para o contato entre engrenagens de
FFNA e aço AISI 8620.
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
RESULTADOS
Figura 20 - Trincas subsuperficiais na região de pitting, em engrenagens de FNA (a, b) e de aço
8620 cementado (c, d)
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
CONCLUSÃO
O equipamento de ensaio de engrenagem FZG-LASC proporciona o dano desejado,
com formação de pitting em ensaios de até 14 h.
A avaliação do dano por medidas de rugosidade se mostrou adequada, porém a
análise de imagem possui algumas vantagens como quantificação da área danificada.
Os parâmetros Rz e Rvk de rugosidade tendem a diminuir sua magnitude, porém
quando a ocorrência de um dano seus valores aumentam evidenciando que um dano
está prestes a aparecer ou que ele já esta aparente e os valores aumentam
abruptamente.
A quantificação da ocorrência de pitting por análise de imagem da superfície do dente,
mostrou bons resultados, e foi então empregada para comparar a resistência ao
desgaste dos materiais das engrenagens.
Comprovou-se que as engrenagens cementadas de aço 8620, apresentaram maior
resistência a pitting que as engrenagens de Ferro Nodular Austemperado (classe 4
ASTM).
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ENGRENAGENS (FZG)
CONCLUSÃO
Exames em seções ortogonais à superfície de desgaste mostraram que, no FNA,
forma-se um grande número de trincas subsuperficiais, e que as trincas originam-se
na matriz junto a nódulos, e crescem conectando nódulos, resultando em grande
remoção de material. Já na engrenagem de aço 8620 cementado, as trincas nucleiamse junto à superfície, e seu crescimento restringe-se à camada cementada, resultando
no destacamento de pequenas porções de material.
O de atrito que não é considerada pelo equacionamento de Hertz para o cálculo
das tensões de contato. HAMILTON e GOODMAN (1966) mostraram que com a
presença de atrito no contato não-conforme, a posição da tensão cisalhante máxima
se aproxima da superfície com o aumento do coeficiente de atrito.
Estes resultados são importantes no sentido de abrir a possibilidade de buscar
melhorias no desempenho dos FNAs, seja por alterações na composição química, ou
por outras rotas de tratamentos térmicos, podendo assim melhorar a sua
competitividade.
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ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM
ENGRENAGENS (FZG)
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Hutchings, I.M., 1992, Tribology: friction and wear of engineering materials, Edward
Arnold, Great Britain.
Harding, R.A,1986, “The use of austempered ductile iron for gears”, Proceedings of the
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Hamilton G.M. and Goodman L.E, 1966. The stress field created by a circular sliding
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