Alguns espelhos usados em câmeras de satélite devem apresentar qualidade superficial elevada. Eles são normalmente fabricados em ZERODUR®, um material vitrocerâmico, por meio de processos abrasivos. Observou-se que a qualidade da superfície do material deteriora-se algum tempo após a usinagem, necessitando assim de retrabalho. A causa mais influente desse fenômeno é o crescimento de trincas devido à corrosão sobtensão. Estas trincas são geradas pelas condições impostas nos processos convencionais de lapidação e polimento. Este trabalho apresenta um estudo sobre a usinabilidade do ZERODUR® utilizando torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante de ponta única como uma alternativa a estes métodos tradicionais. Amostras de ZERODUR® foram submetidas a testes de indentação e riscamento a fim de se estudar as propriedades mecânicas do material, a transição dúctil-frágil e os mecanismos de remoção de material. Com base nesses testes, foi delineado um experimento fatorial do tipo 23 para avaliar a influência das seguintes variáveis de usinagem: profundidade de corte, nos níveis 0,4 e 0,2 \'mü\'m, taxa de avanço, nos níveis 0,3 e 0,1 \'mü\'m/rev e ângulo de saída da ferramenta, nos níveis -5º e -20º. As amostras do experimento foram usinadas em um torno de ultraprecisão com a ferramenta de diamante de ponta única. A qualidade superficial de cada combinação foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura e perfilometria óptica interferométrica. Os resultados dos experimentos foram analisados estatisticamente, por meio de análise de variância (ANOVA). Para os intervalos das variáveis testadas verificou-se que o ângulo de inclinação da ferramenta é o que mais afeta a qualidade superficial. Ângulos com inclinações mais negativas (-20º) proporcionaram as melhores qualidades superficiais (em torno de 200 nm). Nos resultados não houve evidência de que o corte do material tenha ocorrido dentro do regime dúctil. Porém, a rugosidade superficial encontrada em algumas combinações de corte sugere que o torneamento de ultraprecisão pode ser uma alternativa ao processo lapidação que antecede o polimento. Este trabalho de caráter exploratório contribui com estimativas de alguns parâmetros ótimos para usinagem do ZERODUR®, fornecendo subsídios para pesquisas futuras sobre este tema. / Some mirrors used in satellite cameras must present a high surface quality. They are usually made of ZERODUR®, a brittle glass ceramic, by means of abrasive processes. It was observed that the surface quality of the material deteriorates some time after the machining, thus requiring rework. The most influential cause of this phenomenon is the crack growth due to stress corrosion. These cracks are generated by the conventional machining processes of lapping and polishing. This work presents a study on the machinability of ZERODUR® using ultraprecision turning with single-point diamond tool as an alternative to these traditional methods. ZERODUR® samples were subjected to indentation and nano-scratching tests in order to study the ductile-brittle transition and material removal mechanisms. After that, a \'2 POT.3\' factorial experiment was designed in order to assess the influence of three machining parameters on the resulting surface roughness, which are: depth of cut (tested at levels 0,4 and 0,2 \'mü\'m), feed rate (tested at levels 0,3 and 0,1 \'mü\'m/rev) and rake angle of the cutting tool (tested at levels -5º e -20º). The samples were turned with single-point diamond tool using different combinations of the parameters at the levels described above. The surface quality of each sample was evaluated using an interferometric optical profiler and a scanning electron microscope (SEM). The results of the experiments were statistically evaluated by means of Analysis Of Variance (ANOVA). For the ranges tested, it was found that the rake angle of the tool was the most influential parameter. The angle of -20º provided the best values for surface quality, which were around 200 nm. There was no evidence that the cut of the material occurred in the ductile regime, however, the obtained surface roughness showed that the ultraprecision turning may be a feasible alternative for the lapping process of optical components. This exploratory research contributes to the existing knowledge by providing estimates for optimal parameters of ZERODUR® machining, furnishing empirical basis for future research in this field.

Alguns espelhos usados em câmeras de satélite devem apresentar qualidade superficial elevada. Eles são normalmente fabricados em ZERODUR®, um material vitrocerâmico, por meio de processos abrasivos. Observou-se que a qualidade da superfície do material deteriora-se algum tempo após a usinagem, necessitando assim de retrabalho. A causa mais influente desse fenômeno é o crescimento de trincas devido à corrosão sobtensão. Estas trincas são geradas pelas condições impostas nos processos convencionais de lapidação e polimento. Este trabalho apresenta um estudo sobre a usinabilidade do ZERODUR® utilizando torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante de ponta única como uma alternativa a estes métodos tradicionais. Amostras de ZERODUR® foram submetidas a testes de indentação e riscamento a fim de se estudar as propriedades mecânicas do material, a transição dúctil-frágil e os mecanismos de remoção de material. Com base nesses testes, foi delineado um experimento fatorial do tipo 23 para avaliar a influência das seguintes variáveis de usinagem: profundidade de corte, nos níveis 0,4 e 0,2 \'mü\'m, taxa de avanço, nos níveis 0,3 e 0,1 \'mü\'m/rev e ângulo de saída da ferramenta, nos níveis -5º e -20º. As amostras do experimento foram usinadas em um torno de ultraprecisão com a ferramenta de diamante de ponta única. A qualidade superficial de cada combinação foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura e perfilometria óptica interferométrica. Os resultados dos experimentos foram analisados estatisticamente, por meio de análise de variância (ANOVA). Para os intervalos das variáveis testadas verificou-se que o ângulo de inclinação da ferramenta é o que mais afeta a qualidade superficial. Ângulos com inclinações mais negativas (-20º) proporcionaram as melhores qualidades superficiais (em torno de 200 nm). Nos resultados não houve evidência de que o corte do material tenha ocorrido dentro do regime dúctil. Porém, a rugosidade superficial encontrada em algumas combinações de corte sugere que o torneamento de ultraprecisão pode ser uma alternativa ao processo lapidação que antecede o polimento. Este trabalho de caráter exploratório contribui com estimativas de alguns parâmetros ótimos para usinagem do ZERODUR®, fornecendo subsídios para pesquisas futuras sobre este tema. / Some mirrors used in satellite cameras must present a high surface quality. They are usually made of ZERODUR®, a brittle glass ceramic, by means of abrasive processes. It was observed that the surface quality of the material deteriorates some time after the machining, thus requiring rework. The most influential cause of this phenomenon is the crack growth due to stress corrosion. These cracks are generated by the conventional machining processes of lapping and polishing. This work presents a study on the machinability of ZERODUR® using ultraprecision turning with single-point diamond tool as an alternative to these traditional methods. ZERODUR® samples were subjected to indentation and nano-scratching tests in order to study the ductile-brittle transition and material removal mechanisms. After that, a \'2 POT.3\' factorial experiment was designed in order to assess the influence of three machining parameters on the resulting surface roughness, which are: depth of cut (tested at levels 0,4 and 0,2 \'mü\'m), feed rate (tested at levels 0,3 and 0,1 \'mü\'m/rev) and rake angle of the cutting tool (tested at levels -5º e -20º). The samples were turned with single-point diamond tool using different combinations of the parameters at the levels described above. The surface quality of each sample was evaluated using an interferometric optical profiler and a scanning electron microscope (SEM). The results of the experiments were statistically evaluated by means of Analysis Of Variance (ANOVA). For the ranges tested, it was found that the rake angle of the tool was the most influential parameter. The angle of -20º provided the best values for surface quality, which were around 200 nm. There was no evidence that the cut of the material occurred in the ductile regime, however, the obtained surface roughness showed that the ultraprecision turning may be a feasible alternative for the lapping process of optical components. This exploratory research contributes to the existing knowledge by providing estimates for optimal parameters of ZERODUR® machining, furnishing empirical basis for future research in this field.

A deposição de filmes finos resistentes ao desgaste é uma prática realizada com bastante frequência para melhorar o comportamento tribológico (atrito, desgaste, lubrificação) de diferentes peças e componentes. Afim de se garantir o adequado funcionamento do sistema revestido (substrato+filme), é importante avaliar o comportamento mecânico do mesmo. Um método para avaliação e estudo do comportamento mecânico destes sistemas é o ensaio de riscamento. O ensaio é utilizado para analisar a fratura superficial do revestimento (falha chamada coesiva), ou a resistência à adesão (falha chamada adesiva), e os modos de falha de revestimentos duros (HV>=5 GPa) e finos (<=30 ?m), depositados sobre substratos cerâmicos ou metálicos. A caracterização de alguns modos de falha nos sistemas revestidos está relacionada com modelos qualitativos de tensões presentes na região de contato e nas bordas do riscamento. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das tensões Sxx e Szz desenvolvidas durante o riscamento de sistemas compostos por combinações de revestimentos/substratos. O trabalho foi baseado no desenvolvimento de modelos de simulação em 3D e 2D, utilizando o método dos elementos finitos (MEF), nos quais, uma partícula rígida com características de indentador Rockwell C, aplica carga progressiva até 2 N, ao longo de uma distância de 0,5 mm. No estudo, variou-se a dureza, traduzida em valores de tensão de escoamento do revestimento e do substrato, da mesma forma, analisou-se o efeito da tensão residual do revestimento, o efeito da espessura, o atrito, e a rugosidade, na superfície e na interface do sistema. O fato de obter valores de tensão que ultrapassam o valor do escoamento do revestimento pressupõe a possível ocorrência de falhas nos sistemas revestidos. Os resultados obtidos por simulação indicaram que as combinações de revestimento com tensão de escoamento baixa (Sy<3000 MPa) levam a experimentar tensões ao nível da tensão de escoamento do revestimento. Os revestimentos com tensão de escoamento Sy>5000 MPa apresentaram valores de tensão inferiores aos da tensão do revestimento, bem como o uso de tensão residual de -3 GPa no revestimento, assim como o aumento da espessura do revestimento têm grande importância nos sistemas revestidos, em particular nos casos em que a tensão de escoamento no revestimento é Sy>=5000MPa. O efeito do coeficiente de atrito leva à obtenção de valores de tensão (Sxx ou Szz) suficientemente altos na maioria das combinações, sendo esta a variável de estudo que levou ao maior número de vezes que foi atingido o valor da tensão de escoamento do revestimento. Da mesma forma, a rugosidade afeta os valores de tensão Sxx (interior do sulco). Ao aumentar a rugosidade do sistema aumenta a possibilidade de ultrapassar valores da tensão do revestimento na superfície e na interface do conjunto. Finalmente, pela complexidade do número de variáveis que afetam o ensaio, a simulação numérica sugere que o fato de analisar unicamente a dureza dos materiais, assim como as diferentes variáveis de forma isolada, não permite a reprodução de um mapa de falhas próximo ao proposto na literatura. / The deposition of wear resistant thin films is a common practice to improve the tribological behavior (friction, wear, lubrication) of several mechanical components. In order to guarantee the adequate performance of the coated systems, it is important to evaluate the mechanical behavior. A method for evaluation and study of the coated systems is the scratch test. The test is used to analyze the fracture of the coating (cohesive failure), or the adhesion of the coating (adhesive failure), and the failure modes of hard coatings (HV>=5 GPa) and thin (<=30 ?m) deposited on ceramic or metallic substrates. The characterization of some failure modes in coated systems is related to qualitative stress models at the contact region and the scratch edges. In this work, the behavior of the Sxx and Szz stresses developed during the scratch test was analyzed in different combinations of coatings/substrates. The work was based on the development of 3D and 2D simulation models using the finite element method (FEM). In the simulation, a rigid particle (with the geometry of Rockwell C indenter) applied progressive load to 2N along a 0.5 mm distance. In the study, the hardness was expressed as yield stress values in the coating and the substrate. In addition, it was examined the effect of coating residual stress (-3 GPa), as well as the effect of the thickness, the friction coefficient, and roughness of the surface and interface in the stresses behavior. The fact of obtaining tension values, which exceed the yield stress of coating implies the possible occurrence of failure. The results obtained by simulation indicated that the coating combinations with low yield stress (Sy < 3000 MPa) lead to Sxx and Szz stress values in the level of the coated yield stress. The coatings with yield stress Sy > 5000 MPa enable to obtain low Sxx and Szz values. The use of the residual stresses (-3 GPa) as well as increasing the thickness of the coating are very important factors in the coated systems, especially in the case of coatings with Sy > 5000 MPa. The effect of the friction coefficient leads to stress values (Sxx or Szz) sufficiently high in most of the combinations. This factor is the most important variable leading to the greater number of times that the value of the coating yield stress was reached. The roughness is responsible for Sxx stress values (inside groove). Increasing the roughness of the system increased the possibility of exceeding stress values in the surface and interface coating. Finally, by the complexity of the number of variables that affect the scratch test, the numerical simulation suggests that the fact of only analyzing the hardness of materials, as well as other isolated variables of the scratch test does not allow reproduction of a map of failures similar to that proposed in the literature.

A deposição de filmes finos resistentes ao desgaste é uma prática realizada com bastante frequência para melhorar o comportamento tribológico (atrito, desgaste, lubrificação) de diferentes peças e componentes. Afim de se garantir o adequado funcionamento do sistema revestido (substrato+filme), é importante avaliar o comportamento mecânico do mesmo. Um método para avaliação e estudo do comportamento mecânico destes sistemas é o ensaio de riscamento. O ensaio é utilizado para analisar a fratura superficial do revestimento (falha chamada coesiva), ou a resistência à adesão (falha chamada adesiva), e os modos de falha de revestimentos duros (HV>=5 GPa) e finos (<=30 ?m), depositados sobre substratos cerâmicos ou metálicos. A caracterização de alguns modos de falha nos sistemas revestidos está relacionada com modelos qualitativos de tensões presentes na região de contato e nas bordas do riscamento. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das tensões Sxx e Szz desenvolvidas durante o riscamento de sistemas compostos por combinações de revestimentos/substratos. O trabalho foi baseado no desenvolvimento de modelos de simulação em 3D e 2D, utilizando o método dos elementos finitos (MEF), nos quais, uma partícula rígida com características de indentador Rockwell C, aplica carga progressiva até 2 N, ao longo de uma distância de 0,5 mm. No estudo, variou-se a dureza, traduzida em valores de tensão de escoamento do revestimento e do substrato, da mesma forma, analisou-se o efeito da tensão residual do revestimento, o efeito da espessura, o atrito, e a rugosidade, na superfície e na interface do sistema. O fato de obter valores de tensão que ultrapassam o valor do escoamento do revestimento pressupõe a possível ocorrência de falhas nos sistemas revestidos. Os resultados obtidos por simulação indicaram que as combinações de revestimento com tensão de escoamento baixa (Sy<3000 MPa) levam a experimentar tensões ao nível da tensão de escoamento do revestimento. Os revestimentos com tensão de escoamento Sy>5000 MPa apresentaram valores de tensão inferiores aos da tensão do revestimento, bem como o uso de tensão residual de -3 GPa no revestimento, assim como o aumento da espessura do revestimento têm grande importância nos sistemas revestidos, em particular nos casos em que a tensão de escoamento no revestimento é Sy>=5000MPa. O efeito do coeficiente de atrito leva à obtenção de valores de tensão (Sxx ou Szz) suficientemente altos na maioria das combinações, sendo esta a variável de estudo que levou ao maior número de vezes que foi atingido o valor da tensão de escoamento do revestimento. Da mesma forma, a rugosidade afeta os valores de tensão Sxx (interior do sulco). Ao aumentar a rugosidade do sistema aumenta a possibilidade de ultrapassar valores da tensão do revestimento na superfície e na interface do conjunto. Finalmente, pela complexidade do número de variáveis que afetam o ensaio, a simulação numérica sugere que o fato de analisar unicamente a dureza dos materiais, assim como as diferentes variáveis de forma isolada, não permite a reprodução de um mapa de falhas próximo ao proposto na literatura. / The deposition of wear resistant thin films is a common practice to improve the tribological behavior (friction, wear, lubrication) of several mechanical components. In order to guarantee the adequate performance of the coated systems, it is important to evaluate the mechanical behavior. A method for evaluation and study of the coated systems is the scratch test. The test is used to analyze the fracture of the coating (cohesive failure), or the adhesion of the coating (adhesive failure), and the failure modes of hard coatings (HV>=5 GPa) and thin (<=30 ?m) deposited on ceramic or metallic substrates. The characterization of some failure modes in coated systems is related to qualitative stress models at the contact region and the scratch edges. In this work, the behavior of the Sxx and Szz stresses developed during the scratch test was analyzed in different combinations of coatings/substrates. The work was based on the development of 3D and 2D simulation models using the finite element method (FEM). In the simulation, a rigid particle (with the geometry of Rockwell C indenter) applied progressive load to 2N along a 0.5 mm distance. In the study, the hardness was expressed as yield stress values in the coating and the substrate. In addition, it was examined the effect of coating residual stress (-3 GPa), as well as the effect of the thickness, the friction coefficient, and roughness of the surface and interface in the stresses behavior. The fact of obtaining tension values, which exceed the yield stress of coating implies the possible occurrence of failure. The results obtained by simulation indicated that the coating combinations with low yield stress (Sy < 3000 MPa) lead to Sxx and Szz stress values in the level of the coated yield stress. The coatings with yield stress Sy > 5000 MPa enable to obtain low Sxx and Szz values. The use of the residual stresses (-3 GPa) as well as increasing the thickness of the coating are very important factors in the coated systems, especially in the case of coatings with Sy > 5000 MPa. The effect of the friction coefficient leads to stress values (Sxx or Szz) sufficiently high in most of the combinations. This factor is the most important variable leading to the greater number of times that the value of the coating yield stress was reached. The roughness is responsible for Sxx stress values (inside groove). Increasing the roughness of the system increased the possibility of exceeding stress values in the surface and interface coating. Finally, by the complexity of the number of variables that affect the scratch test, the numerical simulation suggests that the fact of only analyzing the hardness of materials, as well as other isolated variables of the scratch test does not allow reproduction of a map of failures similar to that proposed in the literature.

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.