O sistema tribológico anel/cilindro é considerado de elevada complexidade. Condições de regime de lubrificação limítrofe, mista e hidrodinâmica se intercalam devido às cargas alternadas e velocidades variáveis do sistema. As elevadas temperaturas envolvidas e a presença de substâncias corrosivas e de outros contaminantes também contribuem para a ocorrência de diferentes intensidades e mecanismos de desgaste ao longo do cilindro. Apesar dos significativos avanços na avaliação do desgaste em cilindros de motores, algumas questões permanecem em aberto, tais como: Quais são os principais causadores do desgaste por abrasão em motores flex-fuel? Quais são os principais mecanismos de endurecimento atuantes em cilindros de motores flex-fuel? É possível que o ponto morto superior (PMS) não seja a região do cilindro com maior desgaste? É possível estimar o desgaste de cilindros de motores considerando apenas alterações topográficas em nível de rugosidade? O folded metal pode afetar significativamente o desgaste de cilindros de motores? Como este defeito é formado? Estas e outras perguntas são respondidas ao longo deste trabalho. Para tanto, o presente trabalho avalia o desgaste em cilindros de motores de combustão interna por meio de duas vertentes, sendo elas: o mapeamento de modos e mecanismos de desgaste e a quantificação do desgaste via perda volumétrica. Além disso, são investigadas eventuais causas de intensificação do desgaste e possíveis modos de minimização do desgaste. Os efeitos das alterações topográficas decorrentes do desgaste no desempenho do motor também são analisados. O método da perfilometria óptica foi utilizado nas análises de quantificação do desgaste com o propósito de avaliar a perda volumétrica de material em diferentes regiões do cilindro. Para tanto, dez diferentes métodos para estimativa de desgaste foram propostos. Embora a maior parte dos trabalhos publicados utilize os vales como altura de referência para comparação entre superfícies antes e após o desgaste, o presente trabalho mostrou que melhores resultados para estimativa de desgaste de cilindros com acabamento do tipo plateau honing podem ser obtidos utilizando-se a altura correspondente ao Smr2 como referência absoluta. Contudo, a mesma altura de referência não apresentou resultados satisfatórios na quantificação de desgaste em cilindros com acabamento do tipo standard honing. Deste modo, constatou-se que a escolha do melhor método para estimativa do desgaste via perda volumétrica é altamente dependente do acabamento do cilindro. Verificou-se também no trabalho que os principais mecanismos de desgaste atuantes nos cilindros do motor flex-fuel são desgaste por abrasão e por reações triboquímicas, com participação menos expressiva de desgaste por fadiga de contato e por adesão. Neste mesmo motor, verificou-se também que o desgaste por abrasão ocorreu principalmente devido à ação abrasiva de debris e/ou pela interação direta entre anel e cilindro, sendo que os produtos de combustão tiveram menor importância. Contudo, fatores como mau funcionamento do motor ou acabamento do cilindro podem afetar na contribuição da ação de resíduos do processo de combustão sobre o desgaste abrasivo total do cilindro. Verificou-se que o desgaste de cilindros de motores ocorre preferencialmente nas bordas dos sulcos de brunimento, de modo que a redução da quantia de folded metal pode contribuir significativamente para a redução do desgaste. Estudou-se também o efeito dual da grafita: como lubrificante sólido (o que contribui para a diminuição de atrito e desgaste do cilindro) e como concentradora de tensões (o que contribui para o aumento do desgaste). Além disso, verificou-se que grafitas também podem contribuir para o surgimento do defeito folded metal. Assim, sugere-se que a morfologia da grafita pode ser alterada de modo a se obter não apenas um material com maior resistência à fadiga, mas também uma superfície com menos defeitos superficiais e, consequentemente, com menor propensão ao desgaste. Constatou-se também que o tipo de óxido formado na superfície do cilindro pode afetar consideravelmente sua taxa de desgaste e, portanto, dependendo da composição do cilindro e das condições operacionais do motor, é possível que o PMS não seja a região do cilindro com desgaste mais acentuado. O trabalho também mostrou que os mecanismos de endurecimento atuantes em cilindros de motores flex-fuel são decorrentes de recristalização com refino de grão e encruamento. Finalmente, verificou-se por meio de simulações computacionais que o alisamento da topografia do cilindro (resultante do processo de desgaste) tende a aumentar o coeficiente de atrito na região de meio de curso do pistão e a diminuí-lo nos pontos de reversão. / The tribological system piston ring/cylinder bore is considered to be of high complexity. Due to the presence of alternate loads and variable speeds, boundary, mixed and hydrodynamic lubrication regimes occur at each stroke of the engine. High temperature and corrosive substances also contribute to the occurrence of different wear intensities and mechanisms in cylinder bores. Despite significant advances in the wear assessment of cylinder bores, some issues still remain, like: What are the main causes of abrasion in cylinder bores from flex-fuel engines? What are the main strengthening mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines? Is it possible that the top dead center (TDC) of the engine is not the region with highest wear? Is it possible to estimate wear of cylinder bores considering just topographic changes in roughness level? Can folded metal significantly affect the amount of wear in cylinder bores? How is this defect generated? These and other questions will be answered in this work. Therefore, the present work is focused on the analysis of wear in cylinder bores based upon two different approaches: the assessment of wear modes and mechanisms and the quantification of wear volume losses. Also, possible causes of wear intensification and possible ways of minimizing wear in cylinder bores will be investigated. The effects of topographic changes due to wear in engine performance will also be analyzed. The method of optical profilometry was used in the wear quantification of cylinder bores to assess wear volume losses in different regions of the cylinder. Therefore, ten different methods for wear estimation were proposed. Although most publications consider valleys as the reference height for comparison between surfaces before and after wear, the present work has shown that better results for wear estimation of plateau honed cylinder bores can be obtained by using the height corresponding to the Smr2 as absolute reference. However, the same reference height did not present satisfactory results in the wear quantification of cylinder bores honed with a standard honing. Therefore, this work has shown that the choice of the best method for wear estimation based on wear volume losses is highly dependent upon the cylinder bore surface finish. In this work, it was also verified that the main wear mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines are abrasion and tribochemical reaction, with less significant contribution of fatigue and adhesive wear. In the same engine, it was verified that abrasive wear was more affected by wear debris and/or by two body abrasion than from combustion products. However, some factors, like engine malfunction or cylinder bore surface finish can affect the contribution of residues from the combustion process in the total abrasive wear of the cylinder. It was also verified that wear occurs preferentially at the edges of honing grooves, so that the reduction in the amount of folded metal can significantly contribute to the wear reduction in cylinder bores. The dual effect of graphite was also studied: as solid lubricant (which contributes to decrease friction and wear) and as stress concentrator (which contributes to increase wear). Also, it was verified that graphite can contribute to the occurrence of folded metal. Therefore, it is suggested that graphite morphology can be changed in order to obtain not only higher fatigue life, but also a cylinder finish with lower amount of honing defects and, therefore, less prone to wear. The present work has also verified that the oxide composition in the cylinder surface can considerably affect its wear rate and, therefore, depending on cylinder chemical composition and engine operating conditions, it is possible that the TDC is not the region of the cylinder with the highest wear rates. It was also noticed that the strengthening mechanisms in cylinder bores from flex-fuel engines are resulting from recrystallization with grain refinement and strain hardening. Finally, it was verified by computational simulations that the surface smoothing of the cylinder (from engine wear) tends to increase the coefficient of friction (COF) in the middle region on the cylinder and to decrease it in top and bottom dead centers.

[pt] Neste trabalho são apresentados os efeitos nas propriedades mecânicas, estruturais e tribológicas da incorporação de flúor em filmes de carbono amorfo hidrogenados depositados por Deposição na Fase Vapor Assistido por Plasma . A estabilidade térmica de filmes de carbono amorfo fluorados também foi estudada. Os filmes foram depositados a partir de uma mistura dos gases C2H2 e CF4 com uma tensão de autopolarização de - 350V. A mistura de gases da deposição foi variada de uma concentração de 0% até 90% de CF4. A estabilidade térmica foi verificada em filmes depositados com 50% de C2H2 e 50% de CF4 na atmosfera precursora. Os filmes foram submetidos a temperaturas variando de 200oC a 600oC por 30 minutos. As propriedades mecânicas, estruturais e tribológicas dos filmes foram estudados com o uso de técnicas nucleares (retroespalhamento de Rutherford e Detecção por recuo elástico), espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons induzida por raios-X, perfilometria (tensão interna), nanoindentação (dureza), de microscopia de força atômica e de ângulo de contato. Os resultados obtidos mostraram que a incorporação de flúor produzem filmes com as propriedades indo em direção às propriedades do Teflon. Os filmes ricos em flúor são menos densos, mais macios, mais hidrofóbicos e tem um menor coeficiente de atrito do que filmes de carbono amorfo hidrogenados. O tratamento térmico realizado mostrou que os filmes são estáveis a temperaturas de até 300oC. A partir desta temperatura os filmes sofreram perda de flúor e mudanças nas suas propriedades indicando a formação de uma estrutura mais grafítica. / [en] This work presents the effects on the mechanical, structural and tribological properties of the incorporation of fluorine in amorphous carbon films deposited by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). The thermal stability of fluorinated amorphous carbon films was also studied. The films were deposited using mixtures of C2H2 and CF4 gases with a self-bias voltage of - 350V. The concentration of CF4 in the gases mixture was varied from 0% to 90%. The thermal stability was investigated in films deposited with 50% C2H2 and 50% CF4 as precursor atmosphere. These films were annealed in the temperatures range of 200oC to 600oC during 30 minutes for each sample. The mechanical, structural and tribological properties were studied using nuclear techniques (Rutherford Backscattering and Elastic Recoil Detection Analysis), Raman and X-ray photoelectron spectroscopy, profilometry (for internal stress) and nanoidentation (for hardness), atomic force microscopy and contact angle measurements. The results showed that fluorine incorporation produces films with properties resembling the Teflon's properties. The films rich in fluorine appear to have lower density, more hydrophobicity and lower friction coeficient than amorphous carbon films. They are also softer than them. The thermal annealing shows that films were thermally stable within temperatures up to 300oC. Above this temperature the films tend to loose fluorine and their properties change revealing a more graphitic structure.

Copper is present in brake pads in the form of fibres, tough its suppression from pads\' formulations is already a trend compared to the suppression of asbestos in the 1980\'s. As a contribution to this challenging scenario, this work investigated the behaviour of mixture additions containing copper, zirconia, graphite and magnetite in dry sliding tribotests. Pin-on-disc tribotests with interfacial media addition were performed in order to contribute on the mission of understanding how Cu, graphite and ZrO2 particles act on the oxide transfer layer formation on dry sliding conditions. Thus describing some of the tribological properties that a possible replacement for copper in brake pads should mimic. Tests were performed at 23°C in air, 400°C in air and 400°C in N2. Nanoparticulate Cu, ZrO2 and micron-sized graphite were mixed in a Fe3O4 basedmatrix. The ZrO2 particles were incorporated to the mixtures by two mixing methods: manual mixing and high-energy ball milling. This study sought to explain the coefficient of friction (CoF) behaviour of these additions individually, as well as together, by correlating the CoF with comprehensive characterization of the oxide transfer layer. The transfer layer was characterized by means of scanning electron microscopy (SEM), Focused Ion Beam (FIB) and Transmission electron microscopy. Graphite containing mixtures displayed low average CoF values (0.23 to 0.31) due to selective transfer of graphite films to the first bodies\' tribosurfaces. Copper formed agglomerates and patches within the oxide transfer layer that were responsible for raising the CoF values at 23°C and acted as soft copper films at 400°C. The nanoparticulate addition of ZrO2 in the manual mixtures prevented the formation of Cu patches and larger agglomerates, promoting the formation of a smooth and compact oxide tribolayer, though graphite\'s selective transfer was still observed. / O cobre está presente em pastilhas de freio na forma de fibras e sua eliminação das formulações de pastilhas já é comparável aos esforços para a eliminação do amianto dos freios nos anos 1980\'s. Para contribuir nessa missão, esse trabalho investigou o comportamento, em ensaios tribológicos sem lubrificação com adição de misturas de cobre, zircônia, grafite e magnetita. Foram realizados ensaios pino x disco com adição de meio interfacial com o objetivo de contribuir na descrição da atuação do Cu, grafite e partículas de ZrO2 na formação de uma camada de óxido compacta em condições sem lubrificação. De forma a descrever propriedades tribológicas relevantes que um possível substituto do cobre deve mimetizar nas pastilhas de freio. Os ensaios foram realizados a 23°C em ar, 400°C em ar e 400°C em N2. Nanopartículas de Cu, ZrO2 (50 nm) e grafite micrométrico (20 µm) foram misturados em uma base de Fe3O4 nanoparticulado. As partículas de ZrO2 foram incorporadas às misturas, por dois métodos distintos, mistura manual, e moagem de bolas de alta energia. Este estudo procurou explicar os resultados de coeficiente de atrito (CoF) dessas adições, individualmente bem como em conjunto, correlacionando os resultados de coeficiente de atrito à extensa caracterização da camada de transferência. Esta última foi caracterizada por meio de microscopia eletrônica de varredura (SEM), feixe de íons focalizado (FIB) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). As misturas contendo grafite apresentaram os menores valores médios de CoF (0.23 to 0.31) devido à presença de filmes contínuos de grafite na camada de transferência. A adição de cobre formou aglomerados e placas na camada de transferência, que foram responsáveis tanto pelo aumento do CoF a 23°C, e agiram como filmes moles de cobre a 400°C. A adição de ZrO2 em misturas manuais preveniu a formação de aglomerados de Cu, auxiliando na formação de uma camada mais compacta, no entanto, não foi suficiente para prevenir a formação de filmes de grafite.

The main motivation of this doctoral thesis is to extend the current knowledge about the tribological behavior of a precipitation-hardenable (PH) austenitic stainless steel (SAE XEV-F or DIN 1.4882), used for manufacturing exhaust valves for internal combustion engines in passenger cars. For this purpose, dry sliding laboratory tests were carried out using this steel and other steels, mainly austenitic and martensitic, used as model materials for the comparative characterization of wear and friction. Experimental tests were conducted using an SRV®4 tribometer in a ball-on-disc configuration with reciprocating movement, in which the discs were the samples and the balls the counter-bodies. Four kinds of steels were tested: a) AISI 310, b) SAE XEV-F, c) AISI H13, and d) Nitrided SAE XEV-F. The ball was made of AISI 52100 bearing steel. The tests were conducted at room temperature and fixed conditions of time (sliding distance) (up to 73.2 m), load (100 N), frequency (10 Hz) and stroke (2mm). Wear was evaluated by means of mass loss in the disc and the ball, and post examination of the worn surfaces. Post examination was conducted using scanning electron microscopy (SEM), coherence correlation interferometry (CCI), and X-Ray diffraction (XRD). Wear debris resulting from tribological interaction were also investigated using SEM and XRD. Additionally, the friction coefficient was measured. High speed filming and interrupted tests were also performed at specific sliding distances. This work reports a severe-to-mild wear transition occurring during the first stage of tribological interaction (running-in) and its relation to the load distribution variation at the interface throughout the tribological tests. The wear transition was observed in different steel-on-steel tribosystems in ball-on-disc contact configuration and occurred due to the combined effects of two factors: a) the contact pressure reduction, due to the increase of nominal contact area caused by wear; and b) subsurface strain hardening (when relevant). The pressure/distance variation was determined experimentally and modeled empirically. Subsurface strain hardening was observable (and measurable) mainly the austenitic steels. Significant differences in wear (and friction) were observed between homogeneous (monophasic) steels and the heterogeneous (multiphasic) SAE XEV-F valve steel. Wear in the homogeneous steels presented an inverse correlation with hardness. Wear on the AISI 310 presented non-linear wear rates for a significant portion of the test. Wear on the SAE XEV-F valve steel was pronounced (even in the mild regime) due to a combined effect of two factors: a) formation of hard debris, which induced an abrasive component to wear by relative sliding, and b) subsurface NbC fracture, which markedly affected the material removal due to plastic deformation in the surrounding matrix. Wear of the nitrided SAE XEV-F steel was lower than that of the non-nitrided samples by nearly two orders of magnitude. The benefits of nitriding in the SAE XEV-F were two-fold: a) an increased surface hardness, and b) the prevention of NbC fracture and detachment, which results in even higher wear resistance. / A principal motivação desta tese é ampliar o conhecimento atual sobre o comportamento tribológico de um aço inoxidável austenítico endurecível por precipitação (PH), o SAE XEV-F (ou DIN 1.4882), utilizado para a fabricação de válvulas de exaustão de motores de combustão interna para carros de passageiros. Para este propósito, foram realizados ensaios laboratoriais de deslizamento a seco usando este aço e outros, principalmente aços austeníticos e martensíticos, usados como materiais modelo para a caracterização comparativa do desgaste e do atrito. Os ensaios experimentais foram conduzidos usando um tribômetro SRV®4 em uma configuração esfera-disco com movimento alternado, em que os discos foram as amostras e as esferas são os contracorpos. Foram ensaiados quatro tipos de aços: a) AISI 310, b) SAE XEV-F, c) AISI H13, e d) SAE XEV-F nitretado. A esfera era feita de aço para rolamento AISI 52100. Os ensaios foram realizados a temperatura ambiente e usando condições fixas de tempo (distância total percorrida até 73.2 m), carga normal (100 N), frequência (10 Hz) e amplitude da oscilação (2 mm). O desgaste foi avaliado por meio de perda de massa, tanto do disco quanto da esfera, e exame das superfícies desgastadas utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV), interferometria de correlação de coerência (ICC) e difração de raios-X (DRX). Os debris de desgaste resultantes da interação tribológica também foram investigados usando MEV e DRX. Adicionalmente, a evolução do coeficiente de atrito foi analisada. Também foram realizadas filmagens de alta velocidade e ensaios interrompidos em tempos de deslizamento específicos. Este trabalho reporta uma transição de desgaste severo para moderado que ocorre durante as a primeira fase da interação tribológica (running-in) e sua relação com a variação da carga na interface durante os ensaios tribológicos. A transição de desgaste foi observada em diferentes tribo-sistemas de aço-contra-aço na configuração esfera-plano e ocorreu principalmente por efeitos combinados de dois fatores: a) a redução da pressão de contato, devida ao aumento da área nominal causada pelo desgaste; e b) o encruamento subsuperficial (quando relevante). A variação pressão/distância foi determinada experimentalmente e modelada empiricamente. Encruamento por deformação subsuperficial foi observável (e medível) principalmente nos aços austeníticos. Foram observadas diferenças significativas no desgaste (e atrito) entre os aços homogêneos (monofásicos) e o aço de válvula SAE XEV-F, heterogêneo (multifásico). O desgaste nos aços homogêneos apresentou uma correlação inversa com a dureza. O desgaste no aço válvula SAE XEV-F foi pronunciado (mesmo no regime de desgaste moderado) devido a um efeito combinado de dois fatores: a) a formação de debris duros, o que induziu uma componente abrasiva ao desgaste por deslizamento relativo, e b) a fratura subsuperficial do NbC, o que afetou significativamente a remoção de material devida à deformação plástica da matriz. O desgaste do aço nitretado SAE XEV-F foi menor que o das amostras não tratadas em quase duas ordens de grandeza. Os benefícios da nitretação no aço válvula SAE XEV-F foram dois: a) o aumento da dureza da superfície, e b) a prevenção da fratura e desprendimento de NbC, o que resulta em uma resistência de desgaste ainda maior.

Neste trabalho foi investigado o processamento e propriedades mecânicas e tribológicas do compósito cerâmico Al2O3- NbC com o objetivo de desenvolver um compósito cerâmico com melhores propriedades do que a alumina pura. Como material para comparação foi utlizado a alumina que é uma cerâmica tradicionalmente aplicada onde é necessária elevada resistência mecânica e ao desgaste. A composição Al2O3-0,5%wtY2O3-20%wtNbC, que origina o compósito, passou por moagem e mistura em moinho tipo atrittor e secagem em evaporador rotativo. O pó obtido foi caracterizado quanto a distribuição granulométrica e morfologia. A alumina seguiu a rota tradicional de moagem e mistura em moinho de bolas, secagem em spray dryer; e mesma caracterização realizada para o compósito. Foi realizado estudo da sinterização em dilatômetro para os dois materiais com intuito de determinar as condições ideais de sinterização. Por meio de prensagem uniaxial seguida de prensagem isostática a frio foram confeccionadas amostras na forma de discos e pinos. Os materiais densos foram obtidos por sinterização normal sendo que a alumina ao ar e o compósito em atmosfera de argônio. As fases formadas no dois materiais foram determinadas por difração de raios X. As microestruturas foram estudas em microscópio eletrônico de varredura nas superfícies polidas e atacadas. Entre as propriedades mecânicas foram medidas o módulo elástico, a dureza e a tenacidade à fratura por meio de impressões Vickers. O compósito desenvolvido apresentou valores superiores em todas estas propriedades em relação a alumina. O estudo do comportamento tribológico foi realizado por meio do deslizamento de pinos, com extremidade cônica, de alumina e do compósito cerâmico sobre discos de alumina. Os ensaios foram realizados com a velocidade de 0,4m/s e com carregamento, por meio de peso morto, de 10N sob diferentes níveis de umidade relativa ( 26,8; 48 e 76,3%). O coeficiente de atrito cinético médio, assim como a taxa de desgaste, diminuiu em todos os ensaios com o aumento da umidade relativa, para os dois materiais. Este comportamento foi relacionado com a formação de uma camada na interface de contato entre as superfícies do pino e do disco de hidróxido de alumínio. O compósito demostrou maior resistência ao desgaste em todas as condições tribológicas estudadas. O compósito cerâmico desenvolvido claramente possui boas perspectivas como um novo material cerâmico em importantes aplicações técnicas. / In the present work processing, and mechanical and tribological properties of a ceramic composite Al2O3-NbC were investigated in order to develop a ceramic material with superior properties. Alumina was chosen as a reference since it is a traditional ceramic material for applications where elevated mechanical properties and wear resistance are required. The composition Al2O3 - 0.5 wt%Y2O3-20 wt%NbC was prepared by attrition milling followed by drying in a rotaevaporator. The resulting powder mixture was characterized for granulometry and powder particles morphology. Alumina was processed according to the traditional route of ball milling followed by passing through a spray drier, and the processed powder was then characterized the same way as the composite. Dilatometry was accomplished for both materials in order to define the ideal sintering conditions. Samples with the shape of discs and pins were compacted by uniaxial pressing followed by cold isostatic pressing. Densification was achieved by sintering in air and in argon for alumina and the composite, respectively. Phase composition of sintered materials was studied by X-ray diffraction (XRD). Microstructure was investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) on polished and etched surfaces. Materials were also characterized for a number of mechanical properties, in particular for Young modulus, hardness, and fracture toughness by Vickers indentation method. The developed composite exhibited superior mechanical properties as compared to alumina. Tribological behavior was investigated by means of a sliding pin on disk test with pins of a conical shape prepared both from alumina and the composite, and an alumina disk. Tests were performed with the sliding speed of 0.4 m/s and 10N load under varying humidity conditions (26.8; 48, and 76.3%). Both the mean coefficient of friction and the wear rate diminished in all tests with the increase of humidity for both materials. Such behavior was attributed to a aluminum hydroxide layer formation between the pin and the disk surfaces. The developed composite exhibited better wear resistance under all tribologic conditions studied. The developed ceramic composite obviously has good perspectives as a new material for a variety of important technical applications.

Com a evolução dos processos de fabricação, aumenta o emprego de topografias engenheiradas com o objetivo de aumentar o desempenho dessas superfícies sob vários aspectos. Apesar do bom desempenho comprovado em algumas aplicações, existem outras em que o desempenho é questionável, como, em condições não lubrificadas e com elevadas pressões de contato. Neste cenário de dúvidas sobre a utilização de superfícies engenheiradas, o presente trabalho objetiva contribuir com as discussões por meio de um estudo do efeito de topografias anisotrópicas na transferência de material e resistência ao movimento em condições de deslizamento a seco com deformação plástica micro e macroscópica. O método utilizado contempla ensaios tribológicos que consistem, basicamente, em deslizar um material sobre superfícies engenheiradas de outro material com maior dureza, em duas condições de deformação plástica: i/ localizada no pico das asperezas em contato (ensaio pino-sobre-disco) e ii/ volumétrica (ensaio de compressão do anel). Os resultados permitiram concluir que os mecanismos de desgaste podem ser reproduzidos nos dois ensaios. Com deformação plástica microscópica (pino-sobre-disco) constatou-se que: i/ os vales e cavidades da topografia atuam de forma a evitar o contato das partículas de desgaste com o corpo em deslizamento; e ii/ os maiores valores do coeficiente de atrito foram obtidos com a superfície com maior quantidade de cavidades, a mesma condição topográfica que apresentou maior área com transferência de material. Com deformações plásticas macroscópicas (ensaio de compressão do anel) constatou-se que os vales da topografia da ferramenta atuaram como bloqueios para o deslizamento do anel conformado, o que resultou num aumento do coeficiente de atrito e redução da transferência de material. / The evolution of manufacturing progresses increases the use of engineered surfaces, seeking the improvement of the overall performance of these surfaces. Despite the enhanced performance under some circumstances, uncertainties still exist in conditions such as unlubricated and high contact pressure conditions. This work aims contributing to these discussions by studding the effect of anisotropic topographies on the material transfer and resistance to movement under dry sliding conditions including micro and macroscopic plastic deformation. The method consisted of tribological tests by sliding a material against engineered surfaces of higher hardness. Tests were conducted under two plastic deformation conditions: i/ localized on surface asperities contact (pin-on-disc test) and ii/ volumetric (ring test). Results allowed concluding that wear mechanisms can be reproduced on both tests. Under microscopic plastic deformation (pin-on-disc test) it was possible to verify that: i/ grooves and cavities have contributed to avoid the contact between wear debris and sliding body; and ii/ the higher friction coefficient was obtained when testing the surface with high amount of cavities, a condition that presented the larger area of material transfer. Under macroscopic deformation (ring test), grooves from tool topography played the role of blocking the ring material sliding, increasing friction coefficient and decreasing material transfer.

Para transmitir o torque gerado pelo motor de combustão interna para a caixa de transmissão por meio da embreagem, seja em automóveis ou caminhões, é necessário que haja contato por deslizamento entre um material polimérico multifásico e um contracorpo metálico de ferro fundido cinzento. Além disso, os níveis do coeficiente de atrito entre esses materiais têem que ser suficientemente alto e estável, para proporcionar uma transmissão de torque regular e eficiente. Porém, durante o deslizamento, materiais são transferidos de uma superfície para outra, e alterações microestruturais e fisico-químicas ocorrem. Como consequência, uma nova superfície (denominada de tribofilme) se desenvolve, influenciando o desempenho funcional da embreagem. Dessa forma, compreender as suas características tem se tornado essencial para desenvolver sistemas de embreagens cada vez mais eficientes. No entanto, muitos ensaios são necessários para que se possa entender como uma ou várias matérias primas se comportam em relação aos aspectos tribológicos. Isso faz com que surja a necessidade de repetir os ensaios inúmeras vezes, para que se façam as escolhas mais assertivas tanto das matérias primas quanto dos processos envolvidos. Como alternativa, para reduzir tempo e custos, e ter um maior controle sobre as variáveis de ensaio, busca-se simular em laboratório, com equipamentos mais simples, a reprodução das interações tribológicas em condições reais. A primeira fase deste trabalho tem como objetivo apresentar os mecanismos de desenvolvimento do tribofilme para três níveis de severidade em condições reais de aplicação (ensaios mais demorados, complexos e mais caros, devido à necessidade da confecção completa dos protótipos), e posteriormente correlacionar esses mecanismos com os que foram simulados por meio de ensaios conduzidos num tribômetro de laboratório do tipo pino-disco (ensaios mais rápidos e mais simples, consequentemente menos complexos), variando o PV de 3,08 até 11,08 MPa ms-1. Foi constatado que as características do tribofilme dependem da severidade da aplicação. Além do que, o tribômetro pino-disco (amostra de 13 mm de diâmetro externo) consegue reproduzir os mecanismos identificados em campo, pois houve paridade na transferência das características do tribossistema do modelo de ensaio para o da condição real (430 mm de diâmetro externo). Na segunda fase, diferentes séries de ensaios tribométricos foram realizadas para investigar a influência do tribossistema no desempenho funcional do par tribológico (atrito e desgaste). Para os ensaios tradicionais, foi constatada um aumento na taxa de desgaste para temperaturas superiores a 250°C, revelando uma transição no regime moderado de desgaste para o severo. Quando os debris de desgaste foram removidos do meio interfacial, o nível do coeficiente de atrito aumentou e a taxa de desgaste reduziu. Já a adição de debris de desgaste ao meio interfacial contribuiu para aumentar a taxa de desgaste e reduzir drasticamente o nível do coeficiente de atrito. No entanto, quando os ensaios foram realizados empregando discos pré-condicionados, a taxa de desgaste e o nível do coeficiente de atrito foram otimizados, principalmente em níveis de severidade mais elevados (PV 10,09 MPa ms-1) indicando potencial ganho na eficiência do sistema embreagem. / Torque from an internal combustion-engine to a gear box, either in automobiles or trucks, is transmitted by a clutch system. In order to transmit torque from one side to the other, sliding contact between a multiphase friction material and a gray iron rotor is necessary. Torque transmission depends on the friction level among the tribological couples, and it have to be relatively high and most importantly stable to allow an efficient and regular performance. During the sliding between the coupling surfaces, material is transferred from one surface to the other causing microstructure and chemical changes. As consequence, a new surface, also known as tribofilm, is developed. This surface governs the clutch system performance and understanding the tribofilm characteristics is very important to improve the development of efficient clutch systems. For this, a large number of tests are necessary to understand the tribological behavior of the raw materials. Such investigation is highly empirical and in order to have a consistent data it\'s necessary to carry out several friction tests repetitions. Alternatively, to save time and money, and have better control over the test variables, the real tribological interactions can be simulated in laboratory by using simple equipment, pin-on-disc tribometer. The simplicity of this device allows evaluating a larger number of alternative materials. The first part of this work aims to investigate the tribofilm development mechanisms in three severity levels on the field application (those tests are more time-consuming, complex and expensive, because it is necessary to produce the entire prototype), and then correlate these mechanisms with those simulated in a pin-on-disc tribometer (faster and simpler test) by changing the PV level from 3.08 to 11.08 MPa ms-1. It was found that the tribofilm characteristics depend on the severity of application. In addition, the pin-on-disc tribometer (sample of 13 mm outside diameter) can reproduce the same mechanisms that were identified on the field, due to the parity between the tribosystem characteristics of test model and field condition (430 mm external diameter). In the second part of this work, different series of tribometer tests were performed to investigate the influences of tribosystem on tribological couple performance (friction and wear). Standard tribometer tests presented an increasing in the wear rate at temperatures of 250°C, revealing a transition from moderate to severe wear regime. When wear debris were removed from the interfacial contact, the friction coefficient level increased and wear rate reduced. On the other hand, when the wear debris were added, it contributed to increase the wear rate and to reduce the friction level dramatically. However, when the experiments were performed by using pre-conditioned discs, the wear rate and friction coefficient level has been optimized, particularly at higher severity levels (PV 10.09 MPa ms-1).

Neste trabalho foram realizadas otimizações no processo de fabricação de micro cavidades na superfície do aço DIN 16MnCr5, com o objetivo de reduzir o coeficiente de atrito dinâmico entre duas superfícies. Para a confecção das micro cavidades (dimples) foi utilizado um laser com pulsos ultracurtos, de largura temporal de algumas dezenas de femtossegundos. Além de estudos de variação de fluência do laser, também foi analisado o resultado da utilização de diferentes perfis de energia do feixe. Para a caracterização das micro cavidades, foram utilizadas técnicas como a microscopia eletrônica de varredura, para análise morfológica, interferometria de luz branca e microscopia confocal para análise topográfica, dimensional e perfilométrica. Foram realizados ensaios de desgaste, em tribômetro para análise da variação do coeficiente de atrito após a texturização. Após os ensaios, percebeu-se que a texturização com pulsos ultracurtos apresenta grande vantagem na confecção de micro cavidades devido a precisão e ausência de interação térmica entre o laser e o material. Em relação ao atrito, as amostras texturizadas apresentaram redução da força e do coeficiente de atrito, porém, foram observados sinais de aumento da pressão de contato entre as superfícies. / In this work, optimizations were realized in the dimples manufacturing process on DIN 16MnCr5 steel surface, the target were to reduce the coefficient of dynamic friction between two surfaces. A laser with ultrashort pulses, temporal width of a few tens of femtoseconds, was used to manufacture dimples. In addition to studies of variation of laser beam fluency, the results of the use of different beam energy profiles were also analyzed. For analysis of dimples, techniques such as scanning electron microscopy (SEM), for morphological analysis, white light interferometry and confocal surface microscopy were used for topographic, dimensional and perfilometry. Wear tests were performed to analyze the variation of the friction coefficient in texturing surface. After the tests, it was observed that the texturing with ultrashort pulses presents a great advantage in manufacturing of dimples, due to the precision and absence of thermal interaction between the laser beam and the material. In relation to the friction coefficient, the textured samples presented a reduction of the friction force and consequently of the friction coefficient, but an increase in the contact pressure between the studied surfaces was observed.

Neste trabalho foram realizadas otimizações no processo de fabricação de micro cavidades na superfície do aço DIN 16MnCr5, com o objetivo de reduzir o coeficiente de atrito dinâmico entre duas superfícies. Para a confecção das micro cavidades (dimples) foi utilizado um laser com pulsos ultracurtos, de largura temporal de algumas dezenas de femtossegundos. Além de estudos de variação de fluência do laser, também foi analisado o resultado da utilização de diferentes perfis de energia do feixe. Para a caracterização das micro cavidades, foram utilizadas técnicas como a microscopia eletrônica de varredura, para análise morfológica, interferometria de luz branca e microscopia confocal para análise topográfica, dimensional e perfilométrica. Foram realizados ensaios de desgaste, em tribômetro para análise da variação do coeficiente de atrito após a texturização. Após os ensaios, percebeu-se que a texturização com pulsos ultracurtos apresenta grande vantagem na confecção de micro cavidades devido a precisão e ausência de interação térmica entre o laser e o material. Em relação ao atrito, as amostras texturizadas apresentaram redução da força e do coeficiente de atrito, porém, foram observados sinais de aumento da pressão de contato entre as superfícies. / In this work, optimizations were realized in the dimples manufacturing process on DIN 16MnCr5 steel surface, the target were to reduce the coefficient of dynamic friction between two surfaces. A laser with ultrashort pulses, temporal width of a few tens of femtoseconds, was used to manufacture dimples. In addition to studies of variation of laser beam fluency, the results of the use of different beam energy profiles were also analyzed. For analysis of dimples, techniques such as scanning electron microscopy (SEM), for morphological analysis, white light interferometry and confocal surface microscopy were used for topographic, dimensional and perfilometry. Wear tests were performed to analyze the variation of the friction coefficient in texturing surface. After the tests, it was observed that the texturing with ultrashort pulses presents a great advantage in manufacturing of dimples, due to the precision and absence of thermal interaction between the laser beam and the material. In relation to the friction coefficient, the textured samples presented a reduction of the friction force and consequently of the friction coefficient, but an increase in the contact pressure between the studied surfaces was observed.

Orientador: Aparecido Carlos Gonçalves / Banca: Marcio Antonio Bazani / Banca: Roberto Hideaki Tsunaki / Resumo: Em um motor de combustão interna todas as peças possuem uma vida útil prevista, sendo essa duração maior ou menor, de acordo com a função específica a elas atribuída. Cada uma das peças tem a sua vida pré-determinada que, em condições normais de funcionamento de todo o conjunto, atende as expectativas. Pela análise do óleo podem-se monitorar as condições destas peças. A técnica de análise de óleo é um tipo de manutenção preditiva. Ela pode ser feita coletando-se o óleo de um equipamento e analisando-o posteriormente ou analisando-o diretamente em sistemas "on line". A análise dos óleos permite identificar os primeiros sintomas de desgaste de um componente. A identificação é feita a partir do estudo da quantidade de partículas, tamanho, forma e composição, que forneceram informações precisas sobre as condições das superfícies em movimento sem a necessidade de se desmontar o conjunto a qual estas partes pertencem. Tais partículas sólidas são geradas pelo atrito dinâmico entre peças em contato. De acordo com o estudo destas partículas pode-se relacionar as situações de desgastes do conjunto e atribuí-las a condições físicas e químicas. A análise dos óleos é feita por meio de técnicas laboratoriais que envolvem, reagentes, instrumentos e equipamentos. Assim, para se estudar a manutenção preditiva em motores de combustão interna, foi feito um estudo teórico sobre estes motores, sobre os lubrificantes, sobre os problemas e possíveis causas associados a falhas destes, sobre os tipos de manutenção preditivas aplicadas a estes e sobre trabalhos que tratam da manutenção preditiva em motores realizados por outros autores. Para auxiliar os estudos foi proposta a construção de duas bancadas de ensaios compostas de motores de quatro tempos, a gasolina, acoplados a um redutor de velocidades para fornecer carga aos mesmos...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In an internal combustion engine every pieces have a foreseen useful life. This duration is large or small according to the specific function to them attributed. Each piece has its own pre determined life that in normal operation conditions of the set attend to the expectations. By oil analysis one can monitor the pieces conditions. The oil analysis technique is a type of predictive maintenance. It can be done collecting the oil of an equipment and analyzing it latter on or analyzing it directly in systems "on line". The oil analysis allows identifying the early symptoms of a component wear. The identification is done starting from the study of the particle quantity, size, forms and composition that supplies precise information about the moving superficial conditions without the need of disassembling the set which these parts belong to. Such solid particles are generated by dynamic friction among pieces in contact. According to the study of those particle one can relate the wear set situation and to attribute them to physical and chemical conditions. The oil analysis is done by means of laboratories techniques that involve reagent, instruments and equipments. So, to study the predictive maintenance in internal combustion engine it was done a theoretical study about those engine, about lubricants, about problems and possible causes related to fault of them, about the types of predictive maintenance associated to them and about papers that deal to predictive maintenance in internal combustion engine. To aid the studies it was proposed the construction of two test rig composed of gasoline four cycle internal combustion engine coupled to a reducer to supply load to them. In the first test rig it was used an internal combustion engine in advanced state of deterioration and on the second one it was used a new internal combustion engine. The results showed that even in advanced state ...(Complete abstract, click electronic access below) / Mestre