A presente dissertação trata de um estudo teórico-experimental sobre a perda de pressão em canais de diâmetro reduzido durante escoamento bifásico de refrigerantes halogenados. Trocadores de calor baseados na ebulição convectiva, em condições de micro-escala são amplamente estudados devido à intensificação da troca de calor proporcionada e a possibilidade de compactação de sistemas de resfriamento. Proporcionam também a redução do inventário de refrigerante e do material utilizado no processo de fabricação do trocador. Porém, o incremento da transferência de calor é acompanhada pelo aumento da perda de pressão, parâmetro também fundamental para o desempenho do sistema. Para o projeto satisfatório e otimizado destes dispositivos são necessários métodos de previsão de transferência de calor e perda de pressão. Entretanto, no caso de canais de diâmetro reduzido, tais ferramentas não encontram-se disponíveis e trocadores de calor baseados em escoamentos bifásicos no interior de canais de diâmetro reduzido vêm sendo desenvolvidos heuristicamente. Desta forma, inicialmente neste estudo, realizou-se uma revisão crítica da literatura envolvendo critérios de transição entre padrões de escoamento, fração de vazio superficial, perda de pressão no interior de canais com diâmetro reduzido durante escoamento bifásico e os principais métodos de estimativa da perda de pressão para macro e micro-escala. Resultados experimentais para perda de pressão levantados neste estudo em condições adiabáticas para os fluidos R245fa e R134a e tubo com 1,1 mm de diâmetro interno foram descritos e comparados aos métodos preditivos encontrados na literatura. Finalmente um novo método da previsão da perda de pressão foi proposto baseado na correlação de Müller-Steinhagen e Heck (1986), ajustando os valores do coeficiente e do expoente com base nos resultados experimentais levantados. / A theorical and experimental study on two-phase pressure drop inside micro-scale channels has been developed. Recently, the study of flow boiling in micro-scale channel have received special attention from academia and industry due to several advantages that they offer such as minimization of fluid inventory, high degree of compactness of the heat exchangers, better performance and the capacity of dissipate extremely high heat fluxes. The significant heat transfer coefficient enhancement provided by micro-scale channels comes together with a huge pressure drop penalty that impacts the efficiency of the overall cooling system. So, accurate predictive methods to evaluate the pressure drop are necessary for the appropriate design of the system and for its optimization. In the present study, firstly, a critical review on studies from literature was performed that covers criteria of transition between micro- and macro-scale flow boiling, void fraction, frictional pressure drop on micro-scale channels and the leading frictional pressure drop predictive methods. Experimental pressure drop results were acquired under adiabatic conditions for R245fa and R134a fluids and internal diameter tube of 1.1 mm. Then, the leading pressure drop predictive methods were compared against the present database. Also a new correlation based on Muller-Steinhagen e Heck (1986) method was proposed in this work by adjusting new empirical constants based on the present database together with previous results obtained by Tibiriçá et al. (2011) for a 2.3 mm ID tube.

O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.

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.

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.

O processo de soldagem por atrito linear com mistura (FSW) é uma técnica recente para a soldagem no estado sólido de materiais, em particular para o alumínio e suas ligas. O processo foi inventado na Inglaterra em 1991. Neste processo, as partes a serem soldadas são fixadas e uma ferramenta especial realiza a soldagem de forma contínua. A ferramenta possui uma velocidade de rotação e, durante a sua translação, o material é misturado no estado sólido e, conseqüentemente, soldando as duas partes. A junta soldada por FSW de alumínio AA 6063-T6, com espessura de 3 mm foi caracterizada. A soldagem foi realizada com uma rotação da ferramenta de 710 rpm e com uma velocidade de translação de 5,3 mm/s. A ferramenta empregada é do tipo three flats, com diâmetro do ombro de 14 mm, diâmetro do pino de 3 mm e com ângulo de 90° com relação à horizontal. Os corpos de prova foram soldados em três condições: um passe, dois passes e dois passes com inversão de rotação do pino. Após a soldagem foram realizados os seguintes tratamentos térmicos: solubilização, envelhecimento e recozimento. A junta soldada foi caracterizada por macrografias, micrografias, microdureza, ensaios de calorimetria diferencial e EBSD. Os resultados mostraram que existem ZTMAs diferentes conforme a condição dos de passes. O número de passes tem influência nas componentes da textura alterando de Cubo para Latão e para Goss + Cobre. Os tratamentos térmicos de envelhecimento e recozimento produziram as maiores e menores durezas do cordão, respectivamente. Foi observada a sinergia entre os fatores número de passes e região do cordão no tamanho de grão do cordão. O lado de retrocesso, após o tratamento térmico, apresentou os grãos mais finos. / Friction stir welding (FSW) is a recent process for aluminium welding in solid state. This process was invented in England in 1991. The welding process is done with a special rotating tool that travels along the joint while the parts are fixed. The tool has a speed and a rotation and during its translation the material mixtures in solid state and the joint occurs. The objective of this paper is to show the metallurgical and mechanical characteristics of a 3 mm thick Aluminum AA 6063 T6 plate welded joint. The tool rotation speed was 710 rpm and the translation speed was 5.3 mm/s. The type of the tool used was three flats, with a shoulder diameter of 14mm and pin diameter of 3mm and perpendicular to the plate. The samples were welded in three conditions: one pass, two passes and two passes with pin rotation inversion in the second pass. The welded samples were also submitted to solution heat treatment, solution heat treatment followed by aging and annealing heat treatments. The welded joint was studied with these main experimental techniques: optical and scanning electron microscopy, microhardness, differential scanning calorimetry and electron backscatter diffraction for texture analysis. The results showed different TAZs according to the welding conditions. The number of passes has influence over the texture components changing from Cube to Brass and to Goss + Copper. The aging and solution heat treatments showed the highest and the lowest hardness, respectively. Synergy between the welding conditions and weld region was observed for the grain size results. The retreating side produced the finest grains after heat treating.

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.

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.

O esmalte dental é o tecido mineralizado mais duro do corpo humano; apesar disto, seu desgaste é um problema muito comum. Este pode estar associado aos processos de envelhecimento, ou ainda, ser encontrado em indivíduos jovens, como consequência de atividades parafuncionais, por exemplo, atrição dental. Este tipo de dano pode resultar em prejuízo da função mastigatória e em diminuição da qualidade de vida. Por isto, o desgaste do esmalte dental tem sido objeto de muitos estudos, embora poucos tenham utilizado conceitos tribológicos. Não foi encontrado nenhum estudo que explorasse o desgaste de esmalte e seus micromecanismos oriundos do deslizamento alternado de incisivo contra incisivo, configuração que mais se aproxima do tribossistema real de atrição. O presente estudo tem por objeto investigar o desgaste e seus mecanismos em pares deslizantes de esmalte incisal (configuração pino-plano), selecionados por seus similares valores de dureza e de tenacidade à fratura, submetidos a diferentes cargas normais e lubrificações do meio. Incisivos bovinos foram ensaiados em deslizamento alternado sob duas cargas normais (8 N e 16 N) e quatro modos de lubrificação: saliva natural; saliva artificial; gel lubrificante oral (Oralbalance!, Biotène); e grupo controle sem lubrificação (seco). Durante os ensaios, foram levantadas as curvas de atrito. O volume desgastado e a rugosidade da superfície foram mensurados via perfilometria 3D. Os micromecanismos de desgaste foram analisados ao microscópio eletrônico de varredura. O aumento da carga normal aplicada resultou em aumento do volume de desgaste para todas as condições. Comparando-se ao grupo sem lubrificação, as salivas (natural e artificial) não reduziram o desgaste, mas a lubrificação com o gel foi efetiva para reduzir tanto o volume de esmalte desgastado como o coeficiente de atrito. A relação entre o valor do parâmetro de rugosidade Sq e o coeficiente de atrito não foi linear, nem entre a rugosidade Sq e o coeficiente de desgaste, para todas as condições. Os micromecanismos de desgaste encontrados foram, em ordem crescente de severidade: desgaste da região interprismática (8 N - gel); propagação de trincas interprismáticas (8 N - seco); reações triboquímicas associadas à ação mecânica (8 N - saliva natural e artificial; 16 N - gel; 16 N - saliva natural e artificial); e desplacamento (16 N - seco). / Enamel is the hardest mineralized tissue in the human body; despite that, the enamel wear is a very common problem. The wear damage can be related to aging processes or also be found in young people as a result of parafunctional activities, for example, dental attrition. This type of damage can result in loss of masticatory function and decreased quality of life. Therefore, the wear of the enamel has been the subject of many studies, although few have used tribological concepts. The wear mechanisms of reciprocating sliding pairs from incisor against incisor have not been reported in the literature, this configuration is the one that is closest to the real tribosystem of attrition. The present study aims to investigate the wear behavior and the related mechanisms in reciprocating sliding pairs of incisal enamel (pin-on-flat configuration), selected for their similar hardness and fracture toughness values, with different applied normal loads and lubrication conditions. Bovine incisors were tested in reciprocating sliding with different applied normal loads (8 N and 16 N) and four lubrication conditions: natural saliva; artificial saliva; oral gel lubricant (Oralbalance!, Biotène); and control group (dry). During tests, the friction curves were recorded. The volume loss and the surface roughness Sq were investigated by 3D profilometry. Wear mechanisms were analyzed by scanning electron microscope. The increase of the normal load resulted in an increased volume loss for all conditions. Comparing to the group without lubrication, the saliva (natural and artificial) did not reduce the volume loss, but the lubricant gel was effective to reduce both the volume loss and the coefficient of friction. The relationship between the value of the roughness Sq and the friction coefficient was not linear, nor between the roughness Sq and the wear coefficient for all conditions. In increasing order of severity, the micromechanisms of wear were: wear at the interrod enamel (8 N - gel); crack propagation in the interrod enamel (8 N - dry); tribochemical reactions associated with mechanical wear (8 N - natural saliva and artificial saliva; 16 N - gel; 16 N - natural saliva and artificial saliva); and flake-like wear (16 N - dry).

Aços inoxidáveis austeníticos são materiais amplamente utilizados em sistemas que exigem elevadas resistências à oxidação e à corrosão. No entanto, quando em contato com outras superfícies, esses materiais possuem elevado coeficiente de atrito e baixa resistências ao desgaste. Uma alternativa para melhorar suas propriedades tribológicas é a utilização de lubrificantes sólidos adicionados em suas composições pela técnica de metalurgia do pó (M/P). Materiais como itria e boro têm se mostrado eficazes em melhorar as propriedades mecânicas e tribológicas de ligas Fe-Cr-Ni-Mo. Nesse contexto, o objetivo desse estudo foi avaliar o efeito da adição de boro e de itria na microestrutura e nas propriedades tribológicas de aços inoxidáveis austeníticos Fe-Cr-Ni-Mo obtidas por M/P. Foram preparadas amostras de 316L por M/P em quatro condições diferentes. Duas amostras, uma sem aditivo e outra com 0,6% p de boro adicionado à composição do 316L, foram processadas a pressão de compactação de 800 MPa e temperatura de sinterização de 1240°C. Além dessas, duas amostras, uma sem aditivo e outra com 1,0% p de itria adicionada à composição do 316L, foram processadas a pressão de compactação de 400 MPa e temperatura de sinterização de 1280°C. Determinou-se a composição química por espectrometria de emissão óptica, a microdureza Vickers, a microestrutura por MEV e EDS, o comportamento tribológico por ensaio de deslizamento alternado (coeficiente de atrito e coeficiente de desgaste específico) e por MEV e EDS (mecanismos de desgaste). Os resultados mostraram que a adição de boro aumenta significativamente a resistência ao desgaste dos materiais, devido à melhor densificação e à formação de fases duras (como boretos ricos em cromo e molibdênio) na sinterização. A adição de itria, mesmo com o aumento da dureza, diminui a resistência ao desgaste, pois dificultou a densificação devido a sua baixa interação com a matriz austenítica do material. O coeficiente de atrito se manteve em 0,8 para todos os materiais, o que indica que os aditivos não o influenciam e não atuam como lubrificantes sólidos. Os mecanismos de desgaste observados nas superfícies dos materiais desgastado foram os mecanismos por adesão e por reação triboquímica. / Austenitic stainless steel materials are widely used in systems that require high oxidation resistance and corrosion resistance. However, in contact with other surfaces, these materials show a high coefficient of friction and a low wear resistance. An alternative to improve their tribological properties is the use of solid lubricants added in their composition by the powder metallurgy technique (P/M). Materials such as yttria and boron have shown an effective role in improving the mechanical and tribological properties of Fe-Cr-Ni-Mo alloys. In this context, this study aims evaluating the effect of boron and yttria additions on the microstructure and tribological properties of austenitic stainless steels Fe-Cr-Ni-Mo obtained by P/M. Samples were prepared with 0.6 wt% boron and 1wt% yttria, using compaction pressures of 400 MPa and 800 MPa, sintering temperature 1240°C and 1280°C, in argon atmosphere. The materials were characterized by chemical analysis (optical emission spectrometry), Vickers hardness and microstructural analysis (SEM and EDS). The coefficient of friction and the wear rate of the materials were obtained by means of reciprocating sliding tests. The wear mechanisms were evaluated by SEM and EDS. The results showed that the boron addition significantly increases the wear resistance of the material, due to the improved densification and the formation of hard phases (such as chromium-rich borides and molybdenum-rich borides) during sintering. However, even though with the increased hardness, the yttria addition decreases the wear resistance, due to the not favouring of the densification and the low interaction of yttria particles with the austenitic matrix. The coefficient of friction for all materials was about 0.8, i.e., and it was not influenced by the presence of additives in the composition. The predominant mechanisms on the worn surfaces of the materials were the adhesive wear and the tribochemical reaction wear (wear by particles oxidation).

[pt] Uma linha de pesquisa de grande interesse no estudo de colunas de perfuração de poços de petróleo aponta para a necessidade de se aumentar a taxa de penetração (ROP) na perfuração em rochas duras. Procurando suprir tal necessidade, este trabalho tem como objetivo estudar mecanismos e propor um novo dispositivo, utilizando as próprias vibrações geradas na coluna durante a perfuração. As várias formas de vibrar da coluna são, geralmente, indesejadas durante a perfuração. Porém, é possível utilizar algumas destas formas de vibrar para melhorar a eficiência do processo de perfuração. Inicialmente, avalia-se a influência das vibrações torcional e axial na ROP. Posteriormente, estuda-se a perfuração na ressonância e alguns aspectos e cuidados no uso desta nova técnica de perfuração, que vem sendo desenvolvida por empresas do setor. Por fim, é desenvolvido um novo dispositivo de perfuração, chamado de perfuração com martelo em ressonância ou perfuração percussiva- rotativa auto-excitada. Este dispositivo tem como premissa usar a vibração axial gerada no processo de corte, para criar uma carga harmônica na broca e excitar uma massa de aço (martelo). Desenvolve-se um modelo com vibro-impacto e atrito seco, representando o martelo e a resistência da rocha, respectivamente. Faz-se aqui, um estudo numérico e uma validação experimental do movimento percussivo de um modelo que representa a broca com este novo dispositivo. Os resultados mostram que a melhor forma do dispositivo operar é impactando a cabeça da broca, em condição de período-1, com um impacto por ciclo de forçamento. Adicionalmente, os parâmetros do experimento são identificados e os resultados numérico-experimental são comparados, mostrando que são similares. / [en] An area of interest in the study of drillstrings is due to the device of increasing the rate of penetration (ROP) in hard rocks. Trying to supply such necessity, this work aims to study mechanisms and to propose a new device, using vibrations generated in the drillstring itself. The various forms of drillstring vibrations are generally regarded as detrimental in the question. However, it is possible to use some of these vibrations forms in such a way as to enhance drilling performance. Initially, the influence of the torsional and axial vibrations in ROP is analyzed. Next, the resonance drilling, that is being developed by companies in this area, and some aspects and cares in the use of this new drilling technique are studied. At the end, a new drilling device, called resonance hammer drilling or self excited percussive rotary drilling, is developed. This device has as premise to use the axial vibration due to the cutting process, to generate a harmonic load at the bit and to excite a steel mass (hammer). A model with vibro-impact and dry friction is developed, representing the hammer and the resistance of the medium, respectively. It is presented a numeric study and an experimental validation of the percussive motion of the model, that represent the bit. The results show that the best way of the hammer to operate is impacting the bit head, in period-1 condition, ie, with one impact per cycle. Moreover, the experimental parameters are identified and since the numerical-experimental results are similar, the model used is validated.