In sliding bearing wear is a very common problem and can be affected by several factors. The wear in a bearing can lead to total failure of the component and lower the lifetime. In a sliding bearing used in a machine in the pulp and paper industry large wear has been detected, but no clear evidence of what the wear depends on. The environment in the machine is strong alkaline (pH 14), a solution of white liquor and lime mud. The penetration of this solution into the bearing might lead to increased wear. A wear study and test were done to see if a better material choice could reduce the wear. In this project an investigation of the wear for seven different bearing materials was done. Two cobalt-based alloy Stellite 6 and Stellite 12, two different precipitation hardened martensitic stainless steel with different number of alloying elements, 17-4PH and Endotec 04. The different metals were welded on the pin with a minimum of 3mm. The other material was three different PEEK polymer composites. PEEK HPV reinforced with carbon fiber, PTFE and graphite. PEEK CA30 with carbon fibers and PEEK GF30 with glass fiber. The method used for the wear test was grinding machine that was reconstructed to a pin-on-disc tribology test. The tests were executed in room temperature with sliding speed of 150rpm and duration of 20 minutes. The metals were tested with the solution of white liquor mixed with lime mud, at two different loading conditions of 300N and 550N. The polymer composites were tested at the load of 300N but with different solution present, white liquor mixed with lime mud and with water. All the pins were sliding against a disc of austenitic stainless steel. Equipment used to investigate the wear mechanisms was a scanning electron microscope. The wear rate was measured by weighing of the pin before and after each test. How the material was affecting the roughness of the austenitic steel countersurface was done with the profilometer. The results of this work showed that both Stellite 6 and Stellite 12 was almost wear resistance in the condition similar to the bearing. Endotec 04 also showed low wear and 17-4PH had the highest of the metals. The dominant wear mechanism seemed to be different severity of adhesive wear. The polymer composite showed all higher wear than the metals, the reason to the high wear rate was harder to decide. It might be a combination between adhesive wear, pulverization of fibers, adsorption of calcium carbonate and matrix/fiber interfacial removal. The alkaline liquid was also believed to increase the wear of the polymer and adhere to some of the metals. The metals seemed to increase the roughness of the countersurface, but the polymers seemed to have more of a polishing effect.

Stricter environmental regulations and trend of decreasing cost and increasing operational efficiency are the driving forces for the improvement of the tribological performance in many different industries. For example, in the case of hydropower plants, there has been increasing research carried out to achieve oil-free stations, which would substitute the oil-based lubricants with environmentally accepted lubricants or water. In this application, water could be a good alternative due to its availability and low cost. Also, water is non-toxic and has high heat capacity. Although advantageous, using water as a lubricant presents many challenges that limit its application such as corrosiveness and thin lubricant film due to its physical properties. Therefore, the material selection for the interacting surfaces needs to be correctly performed when considering water-lubricated conditions because of the harsher tribological conditions to which they will be susceptible. Polymeric materials, such as Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE), are good candidates for such water-lubricated applications due to versatile mechanical and thermal properties, as well as good tribological characteristics. Today, these materials find use in different tribological components, such as, bearings, liners, and gears. However, high wear rates limit their applications, due to the reduced operating life. The performance can be improved in different ways, including surface modification, polymer blending, and use of reinforcements. A novel research area is hybrid and multiscale reinforced composites, which combines the use of micro and nanofillers to obtain improved performances. UHMWPE has been thoroughly studied, including mechanical, thermal and tribological behavior. However, there are limited studies on the effects of hygrothermal aging on the friction and wear response of UHMWPE. The studies are even more restricted when considering reinforced materials. Therefore, this work aims to investigate the effect of hygrothermal aging in the tribological performance of UHMWPE composites in water-lubricated conditions. Aging exposure and tribological tests were performed to evaluate the response of the materials, and the main conclusion of this work is that the tribological response of UHMWPE composites was not significantly affected by the test exposure conditions.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:55:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12938.pdf: 9953963 bytes, checksum: abe25b7224002370db20a3af3b1f2044 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Escola Politecnica, Universidade de Sao Paulo - POLI/USP

O controle e a redução de atrito podem auxiliar na elaboração de estratégias de eficiência energética e na redução da emissão de dióxido de carbono (CO2). Apesar de existirem leis fenomenológicas bem estabelecidas para o atrito, não há uma definição da relação das propriedades macroscópicas/microscópicas com as propriedades fundamentais e nanoscópicas. O entendimento dessas correlações e dos mecanismos de dissipação de energia envolvidos no fenômeno de atrito podem ajudar no maior controle do coeficiente de atrito. Neste trabalho, o coeficiente de atrito de sistemas de óxidos na camada mais externa de ferro puro (99,99%) previamente nitretado são investigados visando encontrar relações entre as leis fenomenológicas, propriedades mecânicas e modelos teóricos envolvendo a dissipação energética via fônons. Para isso as amostras foram caracterizadas utilizando espectroscopia de emissão óptica de descarga luminescente (GD-OES), difração de raios X (DRX), tomografia de ponta atômica (APT), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM), nanoindentação e deslizamento unidirecional. Na caracterização experimental foi observada uma redução gradativa do coeficiente de atrito, a qual foi acompanhada por um aumento do teor de óxido na superfície. Apesar disso, essa tendência não foi observada na evolução das propriedades mecânicas. Logo, os cálculos teóricos baseados em mecanismos de dissipação fonônica aplicados para calcular o coeficiente de atrito representaram bem os valores experimentais. De forma geral, a mudança do coeficiente de atrito pode ser explicada mediante contribuições fonônicas, porém as forças de atrito do presente sistema não são totalmente determinadas por mecanismos fonônicos (sic). / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2017-11-20T19:05:37Z No. of bitstreams: 1 Tese Caren Machado Menezes.pdf: 4117143 bytes, checksum: bdf9c6981c075262a20f692e4bcab86e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-20T19:05:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Caren Machado Menezes.pdf: 4117143 bytes, checksum: bdf9c6981c075262a20f692e4bcab86e (MD5) Previous issue date: 2017 / Control and reduction of friction can help in the elaboration of strategies of energy efficiency and in the reduction of carbon dioxide (CO2) emission. Although there are well established phenomenological laws for friction, there is no definition of the relationship of macroscopic / microscopic properties to fundamental and nanoscopic properties. The understanding of these correlations as well the mechanisms of energy dissipation involved in the friction phenomenon can help in a greater control of the coefficient of friction. In this work, the coefficient of friction of oxide systems in the outermost layer of pure iron (99.99%) previously nitrided is investigated aiming to find relationships between the phenomenological laws, mechanical properties and theoretical models involving energy dissipation via phonons. For this purpose, samples were characterized using glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), X-ray diffraction (XRD), atomic probe tomography (APT), scanning electron microscopy (SEM), transmission scanning electron microscopy (STEM), nanoindentation and unidirectional sliding. In the experimental characterization, a gradual reduction of the coefficient of friction was observed, which was accompanied by an increase of the surface oxide content. Despite this, the same trend was not observed in the evolution of the mechanical properties. Therefore, the theoretical calculations based on the mechanisms of phononic dissipation applied to calculate the coefficient of friction well represent the experimental values. In general, the change in the coefficient of friction can be explained by phononic contributions, but the frictional forces of the present system are not totally determined by phononic mechanisms (sic).

Tratamentos termoquímicos são processos utilizados pela indústria em componentes de sistemas mecânicos com o intuito de melhorar as suas propriedades superficiais, em especial o desempenho em desgaste. Esses sistemas são utilizados em conjunto com lubrificantes em máquinas e equipamentos dos mais variados tipos. Normalmente os lubrificantes mais usados em função do seu bom desempenho, são de base mineral. Entretanto, há vários estudos propondo o uso de lubrificantes de base vegetal mas pouco se conhece da interação da superfície com esses biofluidos. Sendo assim é importante se identificar como uma superfície tratada ou não, irá interagir com os diferentes tipos de lubrificantes. Dentro deste escopo, este trabalho se propõe a comparar a resposta tribológica de superfícies tratadas termoquimicamente ou não quando lubrificada com biofluidos e com óleos derivados de petróleo. O estudo foi realizado por meio do método \"ball-cratering test\". Como corpos de prova, foram utilizados pastilhas de aço AISI 4140 submetidas aos tratamentos termoquímicos de nitretação e nitrocementação e também sem tratamento além de partilhas de aço LN28 cementadas, como contracorpo foi utilizado uma esfera de aço AISI 52100 adquiridas comercialmente. Três tipos de óleos lubrificantes foram utilizados: óleo mineral, óleo de mamona e óleo de soja epoxidado. Com intuito de analisar os resultados obtidos nestes ensaios, foi calculado o volume desgastado de material nas amostras, e após a realização destes ensaios foi analisada a superfície dos corpos de prova em microscópio óptico, MEV e AFM. Foi medida também a molhabilidade dos lubrificantes nas superfícies estudadas. Os materiais submetidos a tratamento termoquímico apresentaram um melhor desempenho tribológico na maioria dos testes. Assim também, o óleo mineral, que apesar de possuir uma viscosidade inferior aos óleos vegetais utilizados, apresentou um melhor desempenho devido as propriedades inerentes a este tipo de lubrificante. / Thermochemical processes are used in the industry to improve the surface properties of the components of mechanical systems. In such systems lubrication are very important as well. Most common lubricants are mineral oil based but there are several studies analyzing performance of lubricants formulated from vegetable oils. However there are few studies about the interaction between surface and biofluids. It is important to know the behavior of the modified surface by thermochemical treatments interacting with different lubricants. In order to address this subject this study proposed to compare tribological behavior of surfaces modified by thermochemically and not modified when different lubricants are acting in the surface. Lubricants used were vegetable based (castor oil and epoxidized soybean oil) and mineral based (paraffinic oil). Tribological studies were performed by ball cratering test using samples from SAE 4140 submitted to nitriding and nitrocarburizing against AISI 52100 spheres. It was also tested samples from carburized LN 28 steel. Worn volume were calculated and characterization of the crater after test were made using SEM and AFM. Wetting was also measured for the different surface condition and lubricants. Results showed better performance of the modified surfaces using mineral oil as lubricant despite their lower viscosities.

O controle e a redução de atrito podem auxiliar na elaboração de estratégias de eficiência energética e na redução da emissão de dióxido de carbono (CO2). Apesar de existirem leis fenomenológicas bem estabelecidas para o atrito, não há uma definição da relação das propriedades macroscópicas/microscópicas com as propriedades fundamentais e nanoscópicas. O entendimento dessas correlações e dos mecanismos de dissipação de energia envolvidos no fenômeno de atrito podem ajudar no maior controle do coeficiente de atrito. Neste trabalho, o coeficiente de atrito de sistemas de óxidos na camada mais externa de ferro puro (99,99%) previamente nitretado são investigados visando encontrar relações entre as leis fenomenológicas, propriedades mecânicas e modelos teóricos envolvendo a dissipação energética via fônons. Para isso as amostras foram caracterizadas utilizando espectroscopia de emissão óptica de descarga luminescente (GD-OES), difração de raios X (DRX), tomografia de ponta atômica (APT), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM), nanoindentação e deslizamento unidirecional. Na caracterização experimental foi observada uma redução gradativa do coeficiente de atrito, a qual foi acompanhada por um aumento do teor de óxido na superfície. Apesar disso, essa tendência não foi observada na evolução das propriedades mecânicas. Logo, os cálculos teóricos baseados em mecanismos de dissipação fonônica aplicados para calcular o coeficiente de atrito representaram bem os valores experimentais. De forma geral, a mudança do coeficiente de atrito pode ser explicada mediante contribuições fonônicas, porém as forças de atrito do presente sistema não são totalmente determinadas por mecanismos fonônicos (sic). / Control and reduction of friction can help in the elaboration of strategies of energy efficiency and in the reduction of carbon dioxide (CO2) emission. Although there are well established phenomenological laws for friction, there is no definition of the relationship of macroscopic / microscopic properties to fundamental and nanoscopic properties. The understanding of these correlations as well the mechanisms of energy dissipation involved in the friction phenomenon can help in a greater control of the coefficient of friction. In this work, the coefficient of friction of oxide systems in the outermost layer of pure iron (99.99%) previously nitrided is investigated aiming to find relationships between the phenomenological laws, mechanical properties and theoretical models involving energy dissipation via phonons. For this purpose, samples were characterized using glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), X-ray diffraction (XRD), atomic probe tomography (APT), scanning electron microscopy (SEM), transmission scanning electron microscopy (STEM), nanoindentation and unidirectional sliding. In the experimental characterization, a gradual reduction of the coefficient of friction was observed, which was accompanied by an increase of the surface oxide content. Despite this, the same trend was not observed in the evolution of the mechanical properties. Therefore, the theoretical calculations based on the mechanisms of phononic dissipation applied to calculate the coefficient of friction well represent the experimental values. In general, the change in the coefficient of friction can be explained by phononic contributions, but the frictional forces of the present system are not totally determined by phononic mechanisms (sic).

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:55:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12938.pdf: 9953963 bytes, checksum: abe25b7224002370db20a3af3b1f2044 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Escola Politecnica, Universidade de Sao Paulo - POLI/USP

A marcação por feixe laser em superfícies é utilizada para assegurar a identificação e a rastreabilidade em biomateriais. A texturização via feixe laser confere maior aderência às superfícies dos dispositivos médicos implantáveis. Este trabalho teve o objetivo de avaliar o comportamento da superfície do aço inoxidável austenítico ABNT NBR ISO 5832-1 submetido à marcação e texturização com feixe laser de fibra óptica, alterando-se a frequência dos pulsos; frente ao seu comportamento biomecânico, por meio de: ensaios de resistência à tração, fadiga e desgaste; verificar a susceptibilidade à corrosão localizada, por ensaios eletroquímicos em solução que simula os fluidos corpóreos; e caracterizar a sua microestrutura. Os tratamentos alteraram a rugosidade e a dureza dos biomateriais em função do aumento da frequência dos pulsos. A microestrutura e composição química das superfícies sofreram mudanças que afetaram diretamente a camada passiva dos aços inoxidáveis. Este efeito foi comprovado com o uso de SVET, XPS e caracterização de propriedades eletrônicas do filme passivo. Os dois tipos de tratamentos implicaram em aumento de susceptibilidade magnética das superfícies. Os parâmetros utilizados para as marcações e texturizações não causaram diminuição na viabilidade celular, de modo que não apresentou citotoxicidade mesmo após incubação prolongada. Este biomaterial mostrou-se adequado perante os ensaios biomecânicos, uma vez que os tratamentos a laser, nas condições utilizadas, não induziram a formação de tensões superficiais de magnitude capaz de levar à fratura por fadiga, indicando vida em fadiga infinita; tampouco se pôde relacionar a região de fratura por tração com as marcações a laser. O volume de desgaste diminuiu em função do aumento da dureza produzido pela elevação da frequência do pulso nas texturizações. O caráter visual das marcações e texturizações por feixe laser foi assegurado após a maioria dos ensaios realizados. / Laser beam marking is used to ensure biomaterials identification and traceability. The texturing imparts greater adhesion to the surfaces of implantable medical devices. The aim of this work was to evaluate the surface behaviour of the austenitic stainless steel ABNT NBR ISO 5832-1 marked and textured by optical fiber laser beam using selected parameters, changing the pulse frequency; in face of its biomechanical behaviour, through tests of tensile strength, fatigue and wear; verify the localized corrosion susceptibility by electrochemical tests in a solution that simulates the body fluids; and analyze microstructural changes. The treatments performed altered the biomaterials roughness and their micro hardness as a function of the increase of the pulse frequency. The microstructure and chemical composition of the surfaces underwent changes that directly affected the passive layer of the stainless steels, triggering the corrosion process. This effect was evidenced by SVET, XPS and characterization of electronic properties of the passive film by the Mott-Schottky technique. These two types of laser treatments increased the surfaces magnetic susceptibility. The parameters used for the marking and texturing did not induce a decrease in the cellular viability of the samples, as no cytotoxicity was showed even after prolonged incubation. This biomaterial was adequate on the biomechanical tests, since the laser treatments, under the conditions used, did not induce the formation of surface tensions of magnitude capable of leading the fatigue fracture, indicating infinite fatigue life; the region of fracture by tension could not be related to the laser marking. The wear volume decreased as a function of the increase in micro hardness produced by the increase of the pulse frequency in the texturings. The visual character of the markings and texturings was assured after the majority of the tests performed.

O meio corporativo, principalmente quando se trata de montadoras automotivas, é carente de conhecimento dos fatores que podem influenciar o processo de união entre pares tribológicos. Quando há um fim específico, como o tema deste trabalho: assegurar níveis de controle capazes de eliminar os riscos de uma vedação deficiente na câmara de combustão com custo mínimo, tal carência é ainda maior. O estudo da tribologia inerente à união entre cabeçote e bloco do motor diesel é fundamental para se compreender a que ponto é possível garantir a melhor estanqueidade possível, especialmente no que esteja relacionado ao processo rotineiro de aperto na linha de produção. Nesse sentido, a investigação proposta neste trabalho tem o claro objetivo de propor melhores condições técnicas de vedação ao caso particular da união entre cabeçote e bloco do motor de forma a eliminar / minimizar qualquer influência externa durante o aparafusamento do par supracitado. Adicionalmente, o conhecimento aqui exposto poderá ser difundido a muitas outras aplicações similares nas quais a fixação aparafusada está atrelada a funções que não apenas de fixação, podendo estas estarem inclusive em outros universos do produto, tais como motores, cabinas, eixos e transmissão. / The automobile corporate field has a lack of knowledge when the subject is related to tightening specific issues, especially regarding tribological studies. When there is a specific goal as this thesis theme: ensure all the control levels to eliminate sealing deficiency risks inside combustion chamber in a low investment cost, the needs are even higher. The tribological study between diesel engine block and its cylinder heads assembly is essential to comprehend what is necessary to have the best possible sealing, mostly when it\'s related to the routine on the assembly tightening process. Thinking on that, this work has the goal to propose the best condition on fastening technique that guarantees the sealing to any superficial topography roughness. Additionally, the acquired knowledge will be spread to other similar applications that are not unequally associated to bolted joints, but also in other vehicle universes, such as engines, cabs, axles and transmissions.

Orientadores: Amauri Garcia, José Eduardo Spinelli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T18:46:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FreitasFeitosa_EmmanuelleSa_D.pdf: 38383286 bytes, checksum: d05ac1e591269c92fc7418ac0e23fbd1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: As ligas monotéticas à base de alumínio destacam-se por suas características tribológicas, principalmente as que se caracterizam pela fase minoritária (p. ex. bismuto, chumbo e índio) dispersa na matriz de alumínio, pois essas dispersões de elementos de baixas temperaturas de fusão e dureza, em função de suas propriedades autolubrificantes escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Já ligas hipoeutéticas Pb-Sb, mesmo as bem diluídas, possuem aplicações práticas bastante interessantes. Suas características estruturais e mecânicas, fazem com que o uso dessas ligas seja apropriado para a fabricação de conectores e grades positivas de baterias chumbo-ácido. Existe uma falta de estudos consistentes da evolução microestrutural de ligas monotéticas durante condições de solidificação transitória devidamente associada a propriedades de aplicação. Esse tipo de solidificação é de importância primordial, uma vez que engloba a maioria dos processos industriais envolvendo a transformação líquido/sólido. O presente estudo objetiva contribuir para o desenvolvimento de correlações entre microestruturas de solidificação e as resistências ao desgaste e à corrosão. Para o desenvolvimento do presente estudo, foram escolhidas composições representativas de ligas monotéticas Al-Pb; Al-Bi e Al-In, para análise da influência de parâmetros microestruturais sobre as resistências ao desgaste e à corrosão e uma liga hipoeutética Pb-Sb para avaliar as condições térmicas de surgimento de espaçamentos dendríticos terciários e seu efeito sobre a resistência à corrosão. Para tanto foram realizados experimentos de solidificação unidirecional em regime transitório para a caracterização da evolução das condições térmicas e da microestrutura resultante. As variáveis térmicas como velocidades de crescimento e taxas de resfriamento foram determinadas experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento dos lingotes unidirecionais. Amostras das ligas monotéticas com diferentes espaçamentos interfásicos e diâmetros da fase minoritária, foram submetidas a ensaios de resistência ao desgaste em esfera rotativa, e são propostas leis experimentais correlacionando o volume de desgaste com o espaçamento interfásico da microestrutura. Essas mesmas amostras foram também submetidas a ensaios de corrosão em solução de NaCl sendo também estabelecidas correlações entre resistência à corrosão e características paramétricas da microestrutura. Para uma liga hipoeutética Pb-Sb é desenvolvido um estudo que visa complementar trabalhos anteriores, no sentido de identificar o papel de espaçamentos dendríticos terciários na resistência à corrosão de ligas Pb-Sb. Após a caracterização microestrutural são determinadas sob que condições de solidificação surgem as ramificações terciárias e realizados ensaios de corrosão em amostras representativas em uma solução de H2SO4. Mostra-se também como a evolução, o grau e a escala das ramificações dendríticas afeta a resistência à corrosão. Busca-se com esses estudos experimentais estabelecer uma pré-programação das condições de solidificação visando o desenvolvimento de microestruturas mais resistentes ao desgaste e à corrosão / Abstract: Al-based monotectic alloys are particularly important by their tribological characteristics, mainly those having the minority phase (e.g. bismuth, lead and indium) disseminated in particles along the aluminum matrix. These particles have lower melting temperatures and hardness and flow easily due to their inherent self-lubricant properties, leading to good tribological behavior. On the other hand Pb-Sb alloys, even those having low Pb contents, have interesting practical applications. Their intrinsic mechanical and structural characteristics make them appropriate for the manufacture of connectors and positive grids of lead-acid batteries. There is a lack of systematic studies on the microstructural evolution of monotectic alloys under transient solidification conditions associated with application properties. This class of solidification is of prime importance since it encompasses the majority of industrial processes involving the liquid/solid transformation. The present study aims to contribute to the development of correlations between solidification microstructures and wear and corrosion resistances. For this, representative compositions of Al-Pb; Al-Bi e Al-In monotectic alloys have been chosen to permit the effect of microstructural parameters on the wear and corrosion resistances to be analyzed, as well as a hypoeutectic Pb-Sb alloy with a view to evaluating the thermal conditions that are conducive to the development of dendritic tertiary branches and their effect on the corrosion resistance. Directional solidification experiments were carried out under transient conditions to permit the characterization of the thermal evolution and the corresponding as-cast microstructure. The thermal variables, such as the solidification rate and cooling rate have been experimentally determined from the cooling curves acquired along the castings length. Samples of monotectic alloys, having different interphase spacings and diameters of the minority phase, have been subjected to ball crater wear tests, and experimental laws correlating the wear volume with the microstructural interphase spacing are proposed. These samples have also been subjected to corrosion tests in a NaCl solution and correlations between the corrosion resistances and parametric features of the microstructure have also been established. A complementary study on a hypoeutectic Pb-Sb alloy has been developed with a view to identifying the role of tertiary dendritic branches on the corrosion resistances of Pb-Sb alloys. After the microstructural characterization, conditions determining the onset of tertiary dendritic branches have been determined and corrosion tests were carried out on representative samples in a H2SO4 solution. It is also shown how the evolution, the grade and scale of dendritic branches affect the corrosion resistance. The aim of these experimental studies was to establish the pre-programming of solidification conditions in the search of microstructures having higher wear and corrosion resistances / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica