[pt] O escoamento entre cilindros concêntricos com rotação do cilindro interno com a imposiçãao de um gradiente axial de pressão foi estudado experimentalmente. A razão de raios era (n)= 0, 64 e razão de aspecto era (r) = 265. O fator de atrito e campos de velocidade foram estudados para quatro rotações diferentes do cilindro interno e para os três regimes de escoamento, laminar, transição laminar- turbulento, e turbulento. Os Campos de velocidades foram obtidos através da técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Os resultados para os fatores de atrito revelaram que a influência da rotação é mais pronunciada para regimes laminares e de transição. Para estes dois regimes o aumento observado foi de 100% de f/f0. Para o regime de escoamento turbulento, o aumento foi decrescendo gradativamente até o valor de 10% de f/f0 para Reaxial = 8458. Os campos de velocidade instantâneos relevaram padrões complexos do escoamento. Os perfis de velocidade axial médios tomavam uma forma achatada com o aumento da rotação do cilindro interno e do número de Reynolds axial. Para o regime de escoamento turbulento a influência da rotação do cilindro nos perfis de velocidade era pequena. / [en] The flow between concentric cylinders with an inner rotating cylinder with an imposed pressure-driven axial flow was studied experimentally. The radius ratio was (n) = 0, 64 and the aspect ration was (r) = 265. Friction factor and velocity fields were studied for four rotations of the inner cylinder and for laminar, transitional, and turbulent flow. Velocity fields were measure by Particle Image Velocimetry (PIV). The results for friction factor showed that the influence of the rotation is more apparent for laminar and transitional flow, increasing with the rotation of the inner cylinder. For these two flows, the increasing was 100% of f/f0. For turbulent flow, the increasing was gradualy decreasing to 10% of f/f0 for Reaxial = 8458. Instantaneous velocity fields showed complex flow patterns. The time average axial velocity profiles showed a top hat like form with the increasing of inner cylinder rotation and axial Reynolds numbers. For turbulent flow, the influence of rotation in the velocity profiles was small.

[pt] A vibração excessiva da coluna de perfuração leva à perda da eficácia do processo de perfuração de poços de petróleo e causa danos prematuros ao equipamento. Portanto, entender a dinâmica do sistema é essencial. O comportamento complexo das colunas de perfuração estimulou um grande número de publicações sobre a dinâmica de perfuração. A vibração torsional está presente na maioria dos processos de perfuração, eventualmente atingindo o fenômeno de stick-slip. Essa vibração torsional resulta da interação não linear entre brocas e rochas. Apesar da complexidade da interação broca-rocha, a relação entre torque e velocidade de broca é, frequentemente, tratada como uma força de atrito seco em um sistema delgado. Um grande número de modelos de atrito é usado para descrever a interação entre brocas e rochas, embora um modelo adequado seja necessário para uma interpretação precisa de sistemas com atrito. Esta contribuição utiliza dados experimentais de uma bancada de testes, capaz de reproduzir o comportamento torsional de um sistema real, equipada com dispositivos de freio simples para introduzir atrito ao sistema, perturbando o movimento de rotação. A bancada é matematicamente modelada como um pêndulo de torção atuado. Esta dissertação propõe um modelo de atrito baseado em dados experimentais e analisa vários fenômenos observados em relação ao atrito, incluindo a histerese. Os resultados experimentais são usados para identificação dos parâmetros do modelo proposto. Por fim, simulações numéricas e resultados experimentais são comparados para validação do modelo de atrito proposto. / [en] Excessive drill string vibration leads to loss of the drilling process effectiveness and premature damage to the equipment. Therefore, understanding the system dynamics is essential. The complex behavior of drill strings attracted considerable attention in specialized literature. Due to the drill string slenderness, torsional vibration is present in most drilling routines, eventually reaching the stick-slip phenomenon. This torsional vibration results from the nonlinear interaction between drill-bits and rocks. Despite the complexity of the bit-rock interaction, researchers often treat the relationship between torque and bit velocity as a dry friction force in a slender system. A large number of dry friction models is used to describe the interaction between drill bits and rocks although a proper model is required for a precise interpretation of systems with friction. This contribution utilizes data from a test rig that is capable of reproducing full-scale system torsional behavior with simple brake devices to introduce friction into the system, disturbing the rotating motion. This test rig is modeled as an actuated torsional pendulum for the numerical investigations of the experimental friction. This dissertation proposes a friction model based on experimental data and analyzes various frictional phenomena observed, including hysteresis. The experimental results are used to identify the proposed model parameters. Lastly, it compares numerical simulations with the experimental results and validates the proposed friction model.

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.

[pt] O estudo do comportamento de membranas quando expostas a pressões e tensões de diverssos tipos, assim como de suas propriedades mecânicas nos últimos anos vem recebendo uma notável atenção em razão da variada aplicabilidade das membranas nas mais diversas áreas da engenharia, incluindo atuadores, robótica, sensores, aeroespacial, bioengenharia e estruturas infláveis para engenharia civil. Neste trabalho será apresentado um estudo numérico e experimental de uma membrana sujeita a uma endentação e perfuração transversalmente ao seu plano indeformado, considerando-se a presença do atrito na interface membrana-endentor, fato que torna esse estudo pioneiro nesta análise. Os estudos numéricos foram feitos no software Abaqus CAE. Os ensaios experimentais têm por objetivo comprovar os resultados numéricos e assim validá-los. Foram desenvolvidos aparatos experimentais dedicados aos ensaios pretendidos devido à ausência de equipamentos no mercado que pudessem reproduzir tais ensaios. / [en] The study of membranes behavior when subjected to pressures and tensions from all kinds, as well as their mechanical properties, is receiving a noticeable attention over the last years due to various applications of membranes on various engineering fields, including, actuators, robotics, sensors, airspace, bioengineering and inflatable structures for civil engineering. On this job will be presented a numerical and experimental study of a membrane subjected to an endentation and penetration transversally to the membrane’s undeformed plane, considering friction on the interface of the membrane and endentor, which makes this study a pioneer on this kind of analysis. The numerical studies were performed on Abaqus CAE finite element software. The experimental tests are intended to validate the numerical results. Experimental apparatus were developed especially to perform the tests done in this job.

Os projetos de carrocerias veiculares atuais procuram desenvolver estruturas leves, seja para reduzir o consumo de combustível, no caso dos motores de combustão interna, seja para maior autonomia de bateria, no caso dos veículos elétricos e híbridos. Redução no consumo de combustível significa redução na emissão de poluentes. As estruturas precisam ser leves, mas cada vez mais resistentes e rígidas a fim de proporcionar máximo conforto e segurança aos ocupantes. Estas premissas têm levado ao contínuo desenvolvimento dos materiais. No caso dos aços, um dos processos que tem permitido a melhora significativa das propriedades mecânicas é a estampagem a quente. Nos últimos anos, as peças estampadas a quente têm ocupado lugar de destaque na estrutura das carrocerias veiculares por estarem em sintonia com as demandas mencionadas. Há muitas pesquisas em curso para esta tecnologia, seja nos materiais, nos meios de produção, nos revestimentos e em aplicações. O aço mais utilizado neste processo, 22MnB5, também apresenta o chamado efeito bake hardening; a tensão de escoamento é aumentada após tratamento térmico realizado em temperaturas próximas a 200 °C. Neste trabalho, visando à melhoria nas propriedades mecânicas, amostras foram tratadas termicamente na faixa de temperatura supracitada. Após isso, dados obtidos de ensaios mecânicos foram inseridos em programas de simulação de impacto lateral cujo resultado foi a redução na intrusão na célula de sobrevivência. O efeito bake hardening também propiciou um aumento na absorção da energia de impacto em teste estático feito com barras de proteção lateral. O mecanismo metalúrgico envolvido no fenômeno, devido à difusão de intersticiais foi evidenciado no ensaio de atrito interno. / The current auto body projects seek to build light structures whose immediate impact is in the reduction in fuel consumption of internal combustion engines or in longer battery life for electric and hybrid vehicles. Reduction in fuel consumption means reduced emissions. The structures need to be lightweight, but increasingly resistant to provide maximum comfort and safety to the occupants. These demands led to the continuous development of new materials. In the case of the steels hot stamping has allowed significant improvement in the mechanical properties. In recent years, hot stamped parts took prominent place in the structure of auto bodies to be in line with the mentioned demands. There are a lot of researches lines for this technology: materials, modes of production, coatings and applications. The most commonly used steel in this process, 22MnB5, also exhibits the bake hardening effect: its yield strength is increased after thermal treatment at temperatures close to 200 °C. To verify this improvement in the mechanical properties, samples were thermally treated. After that, data obtained from mechanical tests were inserted into side-crash simulation programs that resulted in a reduction in intrusion in the passengers compartment. The bake hardening effect also provided an increase in the absorption of the impact energy in a static test done with door beam. The metallurgical mechanism involved in the phenomenon, due to the movement of interstitial was evidenced in the internal friction test.

Os motores de combustão interna (MCI) têm sido usados pela humanidade há mais de 100 anos e ainda continuarão por muito tempo em virtude da sua alta confiabilidade e baixo custo de produção. No entanto, eles apresentam grande impacto ambiental em relação à emissão de \'CO IND.2\'. Atualmente, diversos trabalhos têm sido realizados com o objetivo de reduzir o consumo de combustíveis, o que conseqüentemente resulta em redução de emissões. Esses trabalhos englobam melhoramentos de projeto, desenvolvimento de novos materiais e lubrificantes de maior desempenho. No presente trabalho desenvolveu-se um lubrificante que contém partículas magnéticas constituídas de Compostos Intermetálicos Lubrificantes (CIL), que foi avaliado em tribômetro do tipo quatro esferas. Este lubrificante foi testado nas temperaturas de 60 ºC, 100 ºC e 150 ºC, sob perfil de carga específico e rotação de 1.500 rpm. Comparado com outro óleo de mesmo grau SAE de viscosidade, apresentou desempenho friccional superior, exceto para a temperatura de 150 ºC. Constatou-se que as partículas de CIL atuavam através da combinação da atividade superficial e atração magnética provocada pelo processo friccional das superfícies. Também se realizou um estudo de simulação computacional, com o objetivo de avaliar os efeitos da presença de CIL sobre o desempenho global de um motor de combustão interna, variando-se as viscosidades dos lubrificantes comparados, dentro do mesmo grau SAE. A conclusão é que um motor operando com o óleo formulado com CIL apresentou melhor desempenho do que quando operava com óleo comercial. Ainda se constatou, teoricamente, que dentro de um mesmo grau de viscosidade, o óleo de viscosidade menor pode oferecer ganhos de potência superiores a um motor que opere com outro óleo de viscosidade maior, com uma boa capacidade de proteção contra o desgaste, em virtude da presença das partículas de CIL. / The internal combustion engines have been used for 100 years and they will continue being used for many years, especially because of high reliability and low costs of production. Nevertheless, they produce a lot of \'CO IND.2\' emissions. Nowadays, worldwide, several projects are being performed in order to save fuels and reduce the emissions and for that, new materials and high performance lubricants are being developed. In this work it was developed a lubricant that contained magnetic particles, called lubricant intermetalic compound (CIL) and it was evaluated in a four ball tribometer, under 60 ºC, 100 ºC and 150 ºC, using a specific load profile and a speed of 1.500 rpm. When the magnetic oil was compared with commercial oil, in the same SAE viscosity grade, it presented a better frictional performance, except for 150 ºC. It was verified that the mechanism of the magnetic lubricant was a combination of particles superficial activity and attraction magnetic obtained by frictional process of the surfaces. Also, it was carried out a computational simulation for an internal combustion engine, in order to compare the performance of the magnetic lubricant with commercial oil, and evaluating the effect of the viscosities. The lubricant prepared with CIL presented a power increase, when compared to commercial oil, and for the same grade viscosity, the lower viscosity oil presented a better performance, besides of offering a good protection against wear.

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.

Na maioria dos equipamentos mecânicos há movimento relativo entre componentes, e como resultado desse deslizamento relativo, as forças de atrito na superfície geram deformação plástica e/ou remoção de massa (ou volume) do material. Nos motores de combustão interna a geração da potência é realizada pela transformação da energia química em calor por meio da combustão do combustível com o ar, gerando o movimento alternativo de mecanismos (pistões, biela, virabrequim). Já no caso dos motores flex-fuel, o etanol como combustível aumenta a potência, levando a maiores carregamentos termomecânicos e, consequentemente, tribológicos nos seus componentes. Um dos sistemas do motor mais afetado pela mudança no combustível é o par válvula-sede, motivo pelo qual é necessário investigar os mecanismos de desgaste, os efeitos dos parâmetros de operação no comportamento frente ao atrito, e escolher apropriadamente pares deslizantes de materiais que apresentem baixas perdas de massa (taxas de desgaste) e coeficientes de atrito. Ensaios do tipo reciprocating tinham sido empregados para realizar estudos tribológicos de materiais de válvulas e com tratamentos superficiais. As condições de ensaio mais representativas são de operação do motor. Portanto, a seleção de parâmetros como carga, velocidade e temperatura não é fácil: para alguns equipamentos de teste, as variáveis não são independentes. Além disso, devido à complexidade do sistema tribológico, a interação entre as variáveis afeta os resultados. O objetivo deste trabalho de pesquisa foi dividido em duas frentes. A primeira, analisar isoladamente o efeito da temperatura, força normal e velocidade no coeficiente de atrito e no desgaste. O tribômetro SRV-4 do tipo reciprocating foi usado com uma esfera de aço AISI 52100 e distintos materiais de disco (aços e ligas intermetálicas sinterizadas de Nb). A segunda parte consistiu na caracterização dos mecanismos de desgaste de válvulas e sedes de motores distintos, após diferentes tipos de ensaios (dinamômetro e campo em veiculo). O coeficiente de atrito (?) e a perda de massa foram medidos para determinar o desempenho tribológico dos sistemas estudados. Além disso, as superfícies das marcas de desgaste tanto no disco quanto na esfera, assim como das válvulas e sedes foram analisadas por microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e espectroscopia Raman. Para as distintas ligas intermetálicas de Nb ensaiadas com esfera de aço AISI 52100, encontrou-se que os mecanismos de desgaste nas superfícies após uma análise de MEV-EDS foram particularmente abrasão, adesão e oxidação. Já no caso dos motores que foram avaliados, muitos dos danos observados estavam presentes em ambas as válvulas e sedes de admissão e escape; no entanto, a oxidação ocorreu apenas nas válvulas de escape, provavelmente produzido pela alta temperatura durante a operação do motor. / In most of the mechanical assemblies there is relative motion between components, and as a result of this relative sliding action, frictional forces on the sliding surface result in removal or displacement of mass (or volume) of the material. The power generation of internal combustion engines comes from chemical energy transformation into heat through air fuel combustion with further expansion of gases generating the reciprocating movement of power cell (pistons, rod and crankshaft). For flex fuel engines, the ethanol increases power, leading to higher thermo-mechanical forces and consequently higher friction between its components. The valve/valve seat pair is one of the most affected system due to this change, leading to the need of more accurate analysis of its wear mechanisms, its operating parameters effects and his behavior regarding the friction so making possible to choose properly materials with lower mass loss (wear rate) and coefficient of friction. Reciprocating tests had been used to tribological studies of valve materials with surface treatment purpose. The most important test boundary conditions are the engine operating conditions. Therefore, the load, speed and temperature parameters definition is not easy since for some test equipment those variables are not independent. Besides due to tribological system complexity the variable interaction affects its results. The present research goal was divided in two groups. The first one analyzes the normal force, frequency and temperature effect on friction coefficient and wear, independently of each other. It was used a SRV-4 reciprocating tribometer with a sphere (AISI 52100 steel) against several disc materials (steel and sintered intermetallic alloys of Nb). The second one consisted in the characterization of wear mechanisms of valve/valve seat from different engines that were submitted to different test (engine dynamometer test bench and vehicle). The coefficient of friction (?) and mass loss were measured in order to define the studied systems tribological performance. Besides the both disc and sphere wear scars such as valve/valve seat were analyzed using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy of X-ray (EDS) and Raman spectroscopy. For the tested intermetallic alloys of Nb with AISI 52100 sphere it was found the following wear mechanisms after SEM-EDS analyses: abrasion, adhesion and oxidation. In the case of the evaluated engines, several damages were observed in both intake and exhaust valves/valve seats; however, the oxidation occurred only on exhaust valves, probably due to high operating temperature.

Este trabalho utiliza a técnica de modelagem de sistemas multicorpos para analisar o comportamento dinâmico de um vagão ferroviário de carga, trafegando sobre via tangente com desnivelamento transversal periódico. O estudo exibe a modelagem dos principais vínculos deste sistema, como o contato entre o prato e o pião, molas helicoidais e sistema de amortecimento de atrito seco da suspensão primária. A modelagem do contato entre o prato e o pião sugerida, é baseada em um modelo de elastic foundation, e utiliza a característica geométrica dos corpos em contato. O modelo dinâmico de atrito desenvolvido possui atuação bidirecional, sendo utilizado nos elementos dissipativos da suspensão. A matriz de rigidez das molas helicoidais da suspensão primária é obtida utilizando o Triedro de Frenet-Serret e o Segundo Teorema de Castigliano. O modelo matemático, confeccionado com a ferramenta de modelagem ADAMS/Rail, é composto por 90 corpos rígidos e uma caixa flexível e possui 210 graus de liberdade. A comparação dos resultados obtidos na identificação modal experimental e nas análises do modelo comprovou que as hipóteses adotadas na modelagem são aceitáveis, reforçando a utilização dos modelos multicorpos na análise dinâmica do veículo guiado. A variação da velocidade de tráfego do veículo, sobre diferentes comprimentos de irregularidade da via, proporcionou os resultados para confecção dos mapas de resposta dinâmica. Esses mapas foram traçados para o ângulo rolagem, alívio das forças no contato roda-trilho e razão L/V no rodeiro de ataque, e identificaram as regiões mais sensíveis para a rolagem harmônica. A rolagem e torção da caixa foram identificados como os movimentos principais do veículo, quando em tráfego em via com desnivelamento transversal periódico. O conjunto de prato e pião gasto aumentou a faixa de velocidade indicada como crítica para a rolagem, piorando os resultados para velocidades mais baixas. O aumento do amortecimento da suspensão primária, por meio da inclinação do lenoir link, diminuiu os valores de rolagem e do alívio em comparação ao caso nominal. A utilização do ampara-balaço de contato constante propiciou a diminuição do ângulo de rolagem, alívio das forças e da razão L/V do rodeiro na região de ressonância. O aumento do amortecimento deste vínculo, devido à mola elastomérica, proporcionou resultados ainda melhores e indicou que a alteração das características da suspensão secundária pode reduzir a amplitude do movimento de rolagem harmônica. A metodologia de análise do comportamento dinâmico proposta, através dos mapas de resposta, pode auxiliar na determinação das faixas críticas de velocidade de um vagão ferroviário de carga, no tráfego em vias cujas características típicas das irregularidades são conhecidas. Empresas do setor ferroviário podem aplicar este método no projeto de novos vagões, bem como no estudo da velocidade crítica de determinada frota já em operação. / This study uses the multibody system modeling techniques to analyze the dynamic behavior of a railway freight wagon, traveling over tangent track with periodic cross level defect. The study shows the modeling of the main links of the system, as the center plate contact, helical springs and dry friction damper. The suggested modeling of the center plate contact is based on an elastic foundation model, and uses the geometric characteristic of these bodies. The dynamic friction model developed is bidirectional, being used in the dissipative suspension elements. The stiffness matrix of the helical springs is obtained using the Frenet-Serret trihedral and the Second Castigliano Theorem. The mathematical model, developed with the software ADAMS/Rail, is composed of 90 rigid bodies and a flexible car body and has 210 degrees of freedom. A comparison of results obtained in experimental modal identification and analysis of the mathematical model showed that the assumptions made in modeling are acceptable, reinforcing the use of multibody models in dynamic analysis of rail vehicles. The traffic speed variation on different lengths of track irregularity provided the results to make the dynamic response maps. These maps were drawn to roll angle, vertical force in the wheel-rail contact and wheelset L/V and identified the most sensitive regions to harmonic roll. The roll and torsion of the car body were identified as the main movements of the vehicle, when traveling over tangent track with periodic cross level defect. The use of worn center plate increased the critical speed range to the roll motion and decreases the performance for slower speeds. The increase in the damping of the primary suspension, through the lenoir link inclination, decreased the rolling angle and wheel lift in comparison to the nominal case. The use of constant contact side bearer reduced the roll angle and wheelset L/V ratio and increased the vertical load on wheels in the resonance region. The use of elastomeric side bearer provided even better results indicating that changes of the secondary suspension characteristics can minimize the movement of harmonic roll. The methodology for analyzing the dynamic behavior, through the proposed response maps, can assist in determining the critical speed ranges of a railway freight wagon running over a track whose typical irregularities characteristics are known. Companies in the rail industry can apply this method in the design of new cars, and study the critical velocity of a given railway fleet already in operation.