Esta Dissertação tem por objetivo estudar o comportamento de diferentes materiais sob a ação de desgaste micro-abrasivo. Como parte do trabalho, foi projetada e construída uma máquina de ensaio desgaste por micro-abrasão por esfera rotativa fixa, com configuração mecânica com diferenças em relação às observadas na literatura (Gee et al., 2005). Como corpos-de-prova, foram utilizadas pastilhas intercambiáveis de metal duro (classe P20) e aço ferramenta M2. As esferas foram de aço AISI 1010 cementado e aço AISI 52100 temperado e revenido. Durante os ensaios, foi inserida entre a esfera e o corpo-de-prova uma pasta abrasiva preparada com carbeto de silício preto, com tamanho médio de partícula de 5 µm. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares, com a finalidade de analisar não só o comportamento do equipamento, mas também estudar a transição entre os modos de desgaste que podem ocorrer durante o desgaste micro-abrasivo. A transição entre os modos de desgaste foi estudada em função da carga normal e dos materiais utilizados durante o ensaio. Os resultados obtidos indicaram boa reprodutibilidade do equipamento e coerência com resultados da literatura. Em seguida, em ensaios denominados definitivos, foram pesquisadas as atuações dos modos de desgaste abrasivo e a obtenção do regime permanente de desgaste. Os resultados mostraram que, com a variação da distância de deslizamento, houve alterações nas ocorrências dos modos de desgaste abrasivo. Por outro lado, em alguns ensaios, o coeficiente de desgaste tendeu a permanecer constante, o que caracteriza a obtenção do regime permanente de desgaste. Entretanto, em outros, o coeficiente de desgaste teve uma evolução aleatória com a distância de deslizamento, fornecendo indicativos de que o desgaste não entrou em regime. / This work presents a study on the behavior of different materials under the action of micro-abrasive wear. A micro-abrasive wear testing machine with fixed sphere was designed and constructed, presenting a mechanical configuration with differences with respect to those found in the literature (Gee et al., 2005). M2 tool steel and WC-Co P20 were used as testing specimen materials. Ball materials were cemented AISI 1010 steel and quenched and tempered AISI 52100 steel. During the tests, an abrasive slurry, prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 5 µm), was supplied to the contact between the specimen and the ball. Initially, preliminary tests were conducted to study the wear mode transitions that can occur during the micro-abrasive wear and to analyze the operational conditions of the equipment. The wear mode transitions were evaluated as a function of the applied normal load and of the materials used. The results indicated good reproducibility and qualitative agreement with those found in the litarature. Later, a new set of tests was conducted, which analyzed the evolution of the abrasive wear modes and the achievement of steady state wear as a function of sliding distance. The results indicated a continuous variation in the abrasive wear modes with sliding distance. Additionally, in some tests, the wear coefficient tended to stabilize in constant value, which characterizes the achievement of steady state regime. However, in other tests, the wear coefficient presented a non constant evolution of wear coefficient with the sliding distance, which denotes that the constant regime of wear was not obtained.

O ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa vem conquistando elevada aceitação em universidades e centros de pesquisa, sendo amplamente adotado em estudos envolvendo desgaste abrasivo de materiais. Dois modos de desgaste abrasivo podem ser observados neste tipo de ensaio: rolamento resulta quando as partículas abrasivas rolam sobre a superfície do corpo-de-prova, enquanto riscamento é observado quando as partículas abrasivas deslizam sobre o mesmo; o tipo do modo de desgaste abrasivo apresenta uma significante influência sobre o comportamento de um sistema tribológico. Diversos trabalhos envolvendo coeficiente de atrito durante ensaios de desgaste abrasivo estão disponíveis na literatura, mas somente uma pequena parcela dedicaram-se ao estudo do coeficiente de atrito desenvolvido em ensaios de desgaste micro-abrasivo conduzidos por esfera rotativa. Adicionalmente, pesquisas preliminares reportaram que os resultados são dependentes da variação de pressão, ocasionada pela condução de ensaios sob condições de força normal constante. Logo, o propósito desta Tese de Doutorado é pesquisar a relação entre coeficiente de atrito e modos de desgaste abrasivo em ensaios desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa, em condições de força normal constante e pressão constante. Ensaios ball-cratering foram conduzidos com esferas de aço AISI 52100 e um corpo-de-prova de aço-ferramenta AISI H10. A pasta abrasiva foi preparada com partículas de carbeto de silício (SiC) preto (tamanho médio de partícula de 3 m) e água destilada. Diferentes valores de força normal constante e pressão constante foram definidos para os experimentos. As forças normal (N) e tangencial (T) foram monitoradas continuamente durante os ensaios e a relação entre T/N foi calculada para fornecer uma indicação do coeficiente de atrito atuante no sistema tribológico esfera / partículas abrasivas / corpo-de-prova. Em todos os casos, análises por Microscopia Óptica das crateras de desgaste revelaram somente a presença de desgaste abrasivo por riscamento. Entretanto, observações mais detalhadas, conduzidas por Microscopia Eletrônica de Varredura, indicaram que diferentes níveis desgaste abrasivo por rolamento atuaram ao longo dos riscos, fenômeno nomeado de micro-rolling abrasion (microrolamento). Além disso, os resultados obtidos mostraram, também, que: i) a distância de deslizamento apresenta significante influência sobre a transição entre os modos de desgaste abrasivo, ii) para os valores de força normal constante e pressão constante adotados, o coeficiente de atrito manteve-se, aproximadamente, na mesma faixa de valores e iii) o coeficiente de atrito é independente da taxa de desgaste. / The micro-scale abrasive wear test by rotative ball has gained large acceptance in universities and research centers, being widely used in studies on the abrasive wear of materials. Two wear modes are usually observed in this type of test: rolling abrasion results when the abrasive particles roll on the surface of the tested specimen, while grooving abrasion is observed when the abrasive particles slide; the type of wear mode has a significant effect on the overall behaviour of a tribological system. Several works on the friction coefficient during abrasive wear tests are available in the literature, but only a few were dedicated to the friction coefficient in micro-abrasive wear tests conducted with rotating ball. Additionally, recent works have identified that results may also be affected by the change in contact pressure that occurs when tests are conducted with constant applied force. Thus, the purpose of this work is to study the relationship between friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering wear tests conducted at constant normal force and constant pressure. Micro-scale abrasive wear tests were conducted with a ball of AISI 52100 steel and a specimen of AISI H10 tool steel. The abrasive slurry was prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 3 m) and distilled water. Two constant normal force values and two constant pressure values were selected for the tests. The tangential and normal loads were monitored throughout the tests and their ratio was calculated to provide an indication of the friction coefficient. In all cases, optical microscopy analysis of the worn craters revelated only the presence of grooving abrasion. However, a more detailed analysis conducted by SEM has indicated that different degrees of rolling abrasion have also occurred along the grooves. The results have also shown that: i) the sliding distance presents an important role on the wear mode transition, ii) for the selected values of constant normal force and constant pressure, the friction coefficient presented, approximately, the same range of values and ii) the friction coefficient was independent of the wear rate.

O ensaio de desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa vem conquistando elevada aceitação em universidades e centros de pesquisa, sendo amplamente adotado em estudos envolvendo desgaste abrasivo de materiais. Dois modos de desgaste abrasivo podem ser observados neste tipo de ensaio: rolamento resulta quando as partículas abrasivas rolam sobre a superfície do corpo-de-prova, enquanto riscamento é observado quando as partículas abrasivas deslizam sobre o mesmo; o tipo do modo de desgaste abrasivo apresenta uma significante influência sobre o comportamento de um sistema tribológico. Diversos trabalhos envolvendo coeficiente de atrito durante ensaios de desgaste abrasivo estão disponíveis na literatura, mas somente uma pequena parcela dedicaram-se ao estudo do coeficiente de atrito desenvolvido em ensaios de desgaste micro-abrasivo conduzidos por esfera rotativa. Adicionalmente, pesquisas preliminares reportaram que os resultados são dependentes da variação de pressão, ocasionada pela condução de ensaios sob condições de força normal constante. Logo, o propósito desta Tese de Doutorado é pesquisar a relação entre coeficiente de atrito e modos de desgaste abrasivo em ensaios desgaste micro-abrasivo por esfera rotativa, em condições de força normal constante e pressão constante. Ensaios ball-cratering foram conduzidos com esferas de aço AISI 52100 e um corpo-de-prova de aço-ferramenta AISI H10. A pasta abrasiva foi preparada com partículas de carbeto de silício (SiC) preto (tamanho médio de partícula de 3 m) e água destilada. Diferentes valores de força normal constante e pressão constante foram definidos para os experimentos. As forças normal (N) e tangencial (T) foram monitoradas continuamente durante os ensaios e a relação entre T/N foi calculada para fornecer uma indicação do coeficiente de atrito atuante no sistema tribológico esfera / partículas abrasivas / corpo-de-prova. Em todos os casos, análises por Microscopia Óptica das crateras de desgaste revelaram somente a presença de desgaste abrasivo por riscamento. Entretanto, observações mais detalhadas, conduzidas por Microscopia Eletrônica de Varredura, indicaram que diferentes níveis desgaste abrasivo por rolamento atuaram ao longo dos riscos, fenômeno nomeado de micro-rolling abrasion (microrolamento). Além disso, os resultados obtidos mostraram, também, que: i) a distância de deslizamento apresenta significante influência sobre a transição entre os modos de desgaste abrasivo, ii) para os valores de força normal constante e pressão constante adotados, o coeficiente de atrito manteve-se, aproximadamente, na mesma faixa de valores e iii) o coeficiente de atrito é independente da taxa de desgaste. / The micro-scale abrasive wear test by rotative ball has gained large acceptance in universities and research centers, being widely used in studies on the abrasive wear of materials. Two wear modes are usually observed in this type of test: rolling abrasion results when the abrasive particles roll on the surface of the tested specimen, while grooving abrasion is observed when the abrasive particles slide; the type of wear mode has a significant effect on the overall behaviour of a tribological system. Several works on the friction coefficient during abrasive wear tests are available in the literature, but only a few were dedicated to the friction coefficient in micro-abrasive wear tests conducted with rotating ball. Additionally, recent works have identified that results may also be affected by the change in contact pressure that occurs when tests are conducted with constant applied force. Thus, the purpose of this work is to study the relationship between friction coefficient and abrasive wear modes in ball-cratering wear tests conducted at constant normal force and constant pressure. Micro-scale abrasive wear tests were conducted with a ball of AISI 52100 steel and a specimen of AISI H10 tool steel. The abrasive slurry was prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 3 m) and distilled water. Two constant normal force values and two constant pressure values were selected for the tests. The tangential and normal loads were monitored throughout the tests and their ratio was calculated to provide an indication of the friction coefficient. In all cases, optical microscopy analysis of the worn craters revelated only the presence of grooving abrasion. However, a more detailed analysis conducted by SEM has indicated that different degrees of rolling abrasion have also occurred along the grooves. The results have also shown that: i) the sliding distance presents an important role on the wear mode transition, ii) for the selected values of constant normal force and constant pressure, the friction coefficient presented, approximately, the same range of values and ii) the friction coefficient was independent of the wear rate.

Esta Dissertação tem por objetivo estudar o comportamento de diferentes materiais sob a ação de desgaste micro-abrasivo. Como parte do trabalho, foi projetada e construída uma máquina de ensaio desgaste por micro-abrasão por esfera rotativa fixa, com configuração mecânica com diferenças em relação às observadas na literatura (Gee et al., 2005). Como corpos-de-prova, foram utilizadas pastilhas intercambiáveis de metal duro (classe P20) e aço ferramenta M2. As esferas foram de aço AISI 1010 cementado e aço AISI 52100 temperado e revenido. Durante os ensaios, foi inserida entre a esfera e o corpo-de-prova uma pasta abrasiva preparada com carbeto de silício preto, com tamanho médio de partícula de 5 µm. Inicialmente, foram realizados ensaios preliminares, com a finalidade de analisar não só o comportamento do equipamento, mas também estudar a transição entre os modos de desgaste que podem ocorrer durante o desgaste micro-abrasivo. A transição entre os modos de desgaste foi estudada em função da carga normal e dos materiais utilizados durante o ensaio. Os resultados obtidos indicaram boa reprodutibilidade do equipamento e coerência com resultados da literatura. Em seguida, em ensaios denominados definitivos, foram pesquisadas as atuações dos modos de desgaste abrasivo e a obtenção do regime permanente de desgaste. Os resultados mostraram que, com a variação da distância de deslizamento, houve alterações nas ocorrências dos modos de desgaste abrasivo. Por outro lado, em alguns ensaios, o coeficiente de desgaste tendeu a permanecer constante, o que caracteriza a obtenção do regime permanente de desgaste. Entretanto, em outros, o coeficiente de desgaste teve uma evolução aleatória com a distância de deslizamento, fornecendo indicativos de que o desgaste não entrou em regime. / This work presents a study on the behavior of different materials under the action of micro-abrasive wear. A micro-abrasive wear testing machine with fixed sphere was designed and constructed, presenting a mechanical configuration with differences with respect to those found in the literature (Gee et al., 2005). M2 tool steel and WC-Co P20 were used as testing specimen materials. Ball materials were cemented AISI 1010 steel and quenched and tempered AISI 52100 steel. During the tests, an abrasive slurry, prepared with black silicon carbide (SiC) particles (average particle size of 5 µm), was supplied to the contact between the specimen and the ball. Initially, preliminary tests were conducted to study the wear mode transitions that can occur during the micro-abrasive wear and to analyze the operational conditions of the equipment. The wear mode transitions were evaluated as a function of the applied normal load and of the materials used. The results indicated good reproducibility and qualitative agreement with those found in the litarature. Later, a new set of tests was conducted, which analyzed the evolution of the abrasive wear modes and the achievement of steady state wear as a function of sliding distance. The results indicated a continuous variation in the abrasive wear modes with sliding distance. Additionally, in some tests, the wear coefficient tended to stabilize in constant value, which characterizes the achievement of steady state regime. However, in other tests, the wear coefficient presented a non constant evolution of wear coefficient with the sliding distance, which denotes that the constant regime of wear was not obtained.