Tribologia Explicada

A Tribologia é o estudo da ciência e tecnologia das superfícies que interagem em movimento relativo, englobando o estudo e a aplicação de atrito, desgaste, lubrificação e aspectos relacionados ao projeto. Para compreender melhor a tribologia, é importante entender as definições de atrito, desgaste e lubrificação.

A fricção (ou atrito) é a resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contato. Ela não é uma propriedade do material, mas sim uma propriedade do sistema. Os cientistas acreditam que ela ocorre devido à atração eletromagnética entre partículas carregadas em duas superfícies que estão em contato. Existem vários tipos de fricção, incluindo:

Atrito estático: ocorre quando dois objetos não estão se movendo em relação um ao outro (ou seja, como uma cadeira no chão);

Atrito por Rolamento: ocorre quando dois objetos se movem em relação um ao outro e um deles “rola” sobre o outro (ou seja, as rodas de um carro no solo).

Atrito Cinético: ocorre quando dois objetos se movem em relação um ao outro e se atritam (por exemplo, uma pessoa deslizando por um escorregador).

Atrito de Deslizamento: ocorre quando dois objetos se atritam entre si (por exemplo, colocar um livro plano em uma mesa e movê-lo).

Atrito de Fluidos: ocorre quando um objeto sólido se move através de um líquido ou gás (por exemplo, uma pipa se movendo pelo ar).

O atrito não é considerado uma força fundamental. É uma força não conservativa, o que significa que o trabalho realizado contra o atrito depende do caminho percorrido.

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Desgaste é a remoção gradual, danificação ou deslocamento de material nas superfícies sólidas. Quando se trata de desgaste, os tipos comuns são:

Desgaste Abrasivo, que ocorre quando uma superfície dura e áspera desliza sobre uma superfície mais macia.

Desgaste Adesivo, que ocorre devido ao deslocamento indesejado e aderência de detritos de desgaste de uma superfície para outra;

Desgaste por Fretamento, que ocorre devido ao atrito cíclico repetido entre duas superfícies;

Desgaste Erosivo, que ocorre quando partículas sólidas ou líquidas impactam contra a superfície de um objeto;

Fadiga de Superfície, que ocorre quando a superfície de um material é enfraquecida pelo carregamento cíclico; e Desgaste por Corrosão/Oxidação, que ocorre devido a reações químicas entre materiais desgastados e um meio corroso.

Dadas as várias tipologias, a tribologia também ilustra como o desgaste pode sofrer muitas mudanças ao longo do tempo ou sofrer alterações nas condições operacionais.

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Tribologia e Lubrificação

A lubrificação é o controle do atrito e do desgaste pela introdução de um filme redutor de atrito entre superfícies móveis em contato. Esse filme, também conhecido como lubrificante, pode ser uma substância sólida, fluida ou plástica, sendo óleo e graxa os mais comuns.

Os lubrificantes desempenham diversas funções, incluindo a redução do atrito, a prevenção do desgaste, a proteção do equipamento contra corrosão, o controle da temperatura e da contaminação, a transmissão de potência e a criação de uma vedação fluida.

No que se refere à lubrificação, existem três diferentes tipos, denominados regimes: lubrificação de limite, lubrificação mista e lubrificação de filme completo. A lubrificação de limite ocorre em situações de partidas e paradas frequentes, bem como em condições de carga de choque.

Por exemplo, alguns óleos contêm aditivos – como os aditivos de extrema pressão (EP) ou antidesgaste (AW) – para ajudar a proteger as superfícies, caso não seja possível reconhecer filmes completos devido à carga, velocidade ou outros fatores. Esses aditivos de EP e/ou AW aderem às superfícies metálicas para formar uma “camada de sacrifício que protege o metal contra o desgaste” (Cash, “What is Lubrication?”).

A lubrificação em filme completo existe em duas formas: hidrodinâmica e elastohidrodinâmica. A lubrificação hidrodinâmica (HL) ocorre quando duas superfícies em movimento deslizante são completamente separadas por um filme de fluido. A lubrificação elastohidrodinâmica (EHL) é muito semelhante à HL, mas ocorre quando as superfícies estão em movimento de rolamento (em relação uma à outra). A EHL recebe seu nome da propriedade do filme de deformar elasticamente a superfície de rolamento para lubrificá-la, e a camada de filme nas condições de EHL é muito mais fina do que a da HL. Isso resulta em maior pressão sobre o filme.

A lubrificação mista, que é uma combinação entre a lubrificação de limite e a lubrificação hidrodinâmica, ocorre quando “a maioria das superfícies é separada por uma camada de lubrificação [e] as asperezas ainda fazem contato umas com as outras” (Cash, “O que é Lubrificação?”). Assim como na lubrificação de limite, a lubrificação mista também pode conter aditivos para criar uma camada protetora no metal.

Existem vários conceitos fundamentais na Tribologia, como Tribossistema, Tribofilme e Curva de Stribeck. Um Tribossistema é definido como um Sistema Tribológico composto por pelo menos dois corpos em contato e qualquer fator ambiental que afete sua interação (“Tribossistema,” Wikipedia). É essencial para os tribologistas entender os Sistemas Tribológicos, pois isso lhes permite criar e executar Testes Tribológicos. Outro elemento importante do Tribossistema gira em torno do uso de Revestimentos Tribológicos, pois se relaciona com materiais ferrosos e não ferrosos.

Por exemplo, um revestimento de carbono tipo diamante (DLC) ou hidrocarboneto pode ser aplicado a um componente ou componentes para reduzir o atrito e proteger contra o desgaste. A deposição física de vapor (PVD) é outro exemplo e envolve a produção de um revestimento fino submetendo o material de uma fase condensada a uma fase de vapor, resultando em uma camada fina de fase condensada. Isso é diferente da deposição química de vapor (CVD), que produz materiais sólidos de alto desempenho sob vácuo. Outros Revestimentos Tribológicos incluem:

• Cathodic arc deposition (Arc-PVD) – Deposição catódica por arco
• Titanium carbo-nitride (TiCN) – Nitreto de titânio e carbono
• Titanium nitride (TiN) – Nitreto de titânio
• Titanium aluminum nitride (TiAIN) – Nitreto de titânio e alumínio
• Chromium nitride (CrN) – Nitreto de cromo
• Zirconium Nitride (ZrN) – Nitreto de zircônio
• Titanium Diboride (TiB2) – Diboreto de titânio
• Polycrystalline Diamond (PCD) – Diamante policristalino

Tribofilmes, ou tribofilmes, são filmes formados em superfícies e desempenham um papel fundamental na redução ou minimização do atrito e do desgaste em sistemas lubrificados. Os tribofilmes também são chamados de filmes lubrificantes de limite, filmes lubrificantes de limite, filmes tribolimitantes ou filmes de limite.

A Curva de Stribeck é um gráfico que mostra como o atrito em contatos lubrificados por fluidos é uma função não linear da viscosidade do lubrificante, da velocidade de arrastamento e da carga de contato. Ela recebe o nome de Richard Stribeck, um engenheiro mecânico alemão que descreveu o conceito pela primeira vez em 1902. Esse gráfico demonstra como a formação de filmes lubrificantes é fundamental na redução do atrito e do desgaste de peças de máquinas.

História da Tribologia

A palavra “Tribologia” vem do termo grego “tribos”, que significa atrito, traduzindo literalmente a palavra como “ciência do atrito”. Embora o estudo desse conceito remonte a Leonardo da Vinci e suas pesquisas sobre as leis do atrito, a palavra “Tribologia” só passou a ser amplamente utilizada quando Peter H. Jost, um engenheiro mecânico britânico, cunhou o termo no Relatório Jost de 9 de março de 1966.

Jost é considerado o fundador da disciplina da Tribologia, e a partir de seu relatório, um foco maior foi direcionado ao assunto. Ele chamou a atenção para o estabelecimento de Institutos de Tribologia, juntamente com a publicação de um manual de tribo-design e engenharia.

Em uma entrevista conduzida por Jim Fitch (em inglês), fundador da Noria Corporation, Jost foi questionado sobre como concebeu a Tribologia, e ele apontou aquele momento para setembro de 1964, na Conferência Conjunta do Instituto do Ferro e do Aço/Grupo de Lubrificação e Desgaste do IMechE sobre Lubrificação em Siderúrgicas, em Cardiff.

Foi nessa conferência que as falhas foram discutidas, especialmente em máquinas e equipamentos quebrados de usinas siderúrgicas. Após isso, Jost foi convidado a formar um comitê para “investigar a questão da educação em lubrificação, pesquisa e as necessidades da indústria” (Fitch, “Entrevista com o Eminente Professor H. Peter Jost”).

Pouco depois da publicação do Relatório Jost, o Comitê de Tribologia foi formalmente estabelecido em 26 de setembro de 1966 e recebeu várias responsabilidades, incluindo:

• Assessorar o ministro da tecnologia sobre medidas para promover o progresso tecnológico e economia no campo da tribologia.
• Assessorar departamentos governamentais e outros órgãos em questões relacionadas à tribologia.
• Examinar e recomendar à indústria as técnicas mais recentes em tribologia.
• Relatar anualmente ao ministro da tecnologia suas próprias atividades e tendências e desenvolvimentos em tribologia considerados de importância tecnológica ou econômica para a nação.

A Tribologia desde então se tornou uma área interdisciplinar vinculada à biologia, química, engenharia, ciência dos materiais, matemática e física.

Aplicações

Historicamente, a tribologia é aplicada aos componentes mais comuns de rolamento ou deslizamento, que são rolamentos, engrenagens, cames, freios e selos. Esses elementos comuns são usados em uma variedade de máquinas que possuem movimento relativo e requerem algum movimento de deslizamento e/ou movimento rotativo. Esse foco inicial em melhorar o funcionamento e estender a vida útil de máquinas industriais evoluiu para outras aplicações onde teve um grande impacto em diversas áreas.

Aplicação na Indústria

Quando se trata de pesquisa, a tribologia abrange desde escalas macro até nano. Embora tradicionalmente concentrada nos setores de transporte e manufatura, ela se diversificou ao longo das décadas e pode ser dividida nos seguintes campos:

Tribologia Clássica

Como o nome sugere, a Tribologia Clássica concentra-se no atrito e no desgaste em elementos de máquinas, como rolamentos de elementos rolantes, engrenagens, rolamentos lisos, freios, embreagens, rodas, etc., bem como em processos de fabricação.

Biotribologia

Na Biotribologia, a pesquisa se concentra na lubrificação em sistemas biológicos, como as articulações do quadril e do joelho humano. Na verdade, um dos exemplos mais marcantes da Biotribologia está nas substituições totais do quadril, que “substituem a junta natural de bola e soquete do corpo por uma bola metálica muito lisa (aço inoxidável ou liga de cobalto-cromo) na cabeça do fêmur, articulando-se em uma concha na pelve feita de polietileno de ultra-alto peso molecular” (Hutching, “Cinquenta Anos de Tribologia”).

Tribologia Verde

A Tribologia Verde, também introduzida por Peter H. Jost, busca minimizar o impacto ambiental, incluindo formas de reduzir as perdas tribológicas usando tecnologias com impacto mínimo no meio ambiente.

Geotribologia

Com a Geotribologia, o foco está no estudo do atrito, desgaste e lubrificação de sistemas geológicos, como falhas e geleiras (Wikipedia). Como uma nova faceta da Tribologia, a Geotribologia está ganhando impulso no mundo científico, particularmente em suas capacidades de analisar deslizamentos de falhas.

Nanotribologia

Com o desenvolvimento e comercialização de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sistemas nanoeletromecânicos (NEMS), o campo da Nanotribologia surgiu como um foco forte. Essa aplicação particular estuda fenômenos tribológicos em uma escala nanoscópica, que se refere a estruturas com uma escala de comprimento aplicável à nanotecnologia. A Nanotribologia recebeu um impulso em sua pesquisa desde a invenção da Microscopia de Força Atômica (AFM), que é uma forma de microscopia de sonda de alta resolução (SPM).

Tribotrônica

Outra aplicação na indústria é a Tribotrônica, que é uma faceta de pesquisa que combina elementos de máquinas e componentes eletrônicos para criar sistemas tribológicos ativos e aumentar a eficiência e a vida útil de uma máquina.

Tribologia Computacional

Com a Tribologia Computacional, o objetivo é modelar o comportamento de sistemas tribológicos combinando várias disciplinas, como mecânica de contato (ou seja, o estudo da deformação de sólidos que se tocam em um ou mais pontos), mecânica de fratura (ou seja, o estudo da propagação de fissuras em materiais) e dinâmica de fluidos computacional (ou seja, o estudo do uso de análise numérica e estruturas de dados para resolver e analisar problemas envolvendo fluxos de fluidos).

Tribologia Espacial

A Tribologia Espacial analisa sistemas tribológicos com a capacidade de operar nas duras condições ambientais do espaço exterior, especialmente devido às flutuações extremas de temperatura.

Tribologia de Sistema Aberto

A Tribologia de Sistema Aberto estuda sistemas tribológicos expostos e afetados pelo ambiente natural.

Importância da Tribologia

Inicialmente, a Tribologia e a pesquisa em Tribologia estavam focadas no projeto e na lubrificação eficaz de componentes de máquinas, como rolamentos. Com o tempo, houve uma mudança no foco da tribologia para incluir vários aspectos da tecnologia moderna.

As aplicações tradicionais, que se enquadram na Tribologia Clássica, destacam a importância da tribologia no que se refere às superfícies deslizantes na maioria dos componentes mecânicos, que são cruciais para a eficiência energética e a expectativa de vida máxima desses componentes. Na indústria de transporte, a pesquisa tradicional em tribologia estava focada na confiabilidade, mas em tempos mais modernos, o foco mudou para o consumo de energia e o aumento da eficiência, resultando em lubrificantes mais complexos. Por exemplo, a Tribologia pode reduzir as emissões de dióxido de carbono aumentando a eficiência energética.

Além da indústria de transporte, a tribologia desempenhou um papel vital no setor de fabricação, especialmente em operações de conformação de metais. Compreender a tribologia na fabricação é importante, pois pode aumentar a produtividade enquanto reduz os custos. Outros dois setores em que a tribologia tem uma importância significativa são a geração de energia e a residencial.

A importância da tribologia só aumentou com o tempo. Na verdade, os Representantes do Congresso Tim Ryan (D-Ohio), Dan Lipinski (D-Illinois) e Mike Doyle (D-Pennsylvania) apresentaram a H.Res.306 em 2 de maio de 2017, para ampliar a importância da tribologia. Ainda aguardando mais ações, a H.Res.306 “reconhece o impacto da tribologia … na economia dos Estados Unidos e na competitividade na oferta de soluções para problemas técnicos críticos em diversas indústrias”.

Essa legislação também “encoraja as agências federais a desenvolver e implementar programas relacionados à tribologia” … “incentiva a formação de parcerias público-privadas para avançar na pesquisa fundamental e acelerar o desenvolvimento de produtos relacionados à Tribologia” … e “incentiva a Academia Nacional de Engenharia a conduzir uma pesquisa sobre o estado da pesquisa em tribologia nas academias e laboratórios governamentais e recomendar um plano de ação para acelerar inovações em tribologia” (Ryan “H.Res.306”).

Lubrificação e Tribologia

A lubrificação e a tribologia estão intimamente relacionadas. O uso de lubrificantes remonta a imagens de civilizações antigas na China e no Egito, que mostram a aplicação de lubrificantes para reduzir o atrito ao arrastar pedras pesadas utilizadas na construção.

Os lubrificantes são usados para separar duas superfícies deslizantes, minimizando o contato direto entre elas e reduzindo o desgaste da ferramenta e os requisitos de energia. Os lubrificantes também conduzem calor e contaminantes para longe da interface. A maioria dos lubrificantes é líquida, composta por óleo e aditivos, mas alguns lubrificantes são gases e sólidos.

Antes de selecionar o lubrificante adequado, o sistema tribológico precisa ser identificado. Esses marcadores identificadores, ou parâmetros, incluem o tipo de movimento, velocidade, temperaturas, carga e ambiente de operação.

O tipo de movimento é o primeiro parâmetro do sistema tribológico. O movimento pode ser de deslizamento, o que requer a teoria de lubrificação hidrodinâmica (HL) para análise, ou de rolamento, que exigiria a teoria de lubrificação elastohidrodinâmica (EHL).

A diferença entre esses dois é simples; a teoria HL concentra-se na redução do atrito e/ou desgaste de sólidos em atrito, adicionando o lubrificante adequado entre os sólidos em atrito, criando um filme líquido fino (Tribonet.org).

Como discutido, a EHL é um tipo de HL em que ocorre uma deformação elástica significativa da superfície, alterando drasticamente a forma e a espessura do filme de lubrificante separador (Tribonet.org).

Em alguns casos, o movimento é uma combinação de deslizamento e rolamento, o que ocorre em determinados rolamentos de elementos rolantes, como o rolamento de rolos cônicos. Nesse caso, a química do lubrificante precisaria ser ajustada para um desempenho ideal.

O segundo parâmetro do sistema tribológico é a velocidade, que pode ser dividida em três categorias: rápida, moderada e lenta. Para determinar os intervalos das categorias de velocidade, é essencial conhecer a curva de Stribeck e como calculá-la. Como mencionado, a Curva de Stribeck é um gráfico que mostra como o atrito em contatos lubrificados por fluidos é uma função não linear da viscosidade do lubrificante, velocidade de arraste e carga de contato. Ao conhecer a velocidade do contato, o lubrificante adequado pode ser selecionado para reduzir o atrito.

A temperatura é o terceiro parâmetro tribológico e um dos mais importantes, pois todos os lubrificantes têm faixas de temperatura específicas para um desempenho e eficácia ótimos. Devido às suas químicas, alguns lubrificantes operam dentro de uma ampla faixa de temperatura, enquanto outros funcionam melhor em temperaturas mais baixas. Ao identificar a temperatura do sistema tribológico, um engenheiro tribológico é capaz de selecionar com precisão um ou mais lubrificantes que permitirão que uma máquina alcance uma vida útil e desempenho operacional ideais.

Em seguida, na lista, está a carga, que é um componente importante que afeta a necessidade de lubrificante. Se houver uma carga leve, será necessário um lubrificante projetado para minimizar o atrito do fluido, ao mesmo tempo em que fornece proteção contra o atrito metal-metal, já que a aplicação é sensível ao torque de atrito.

Por outro lado, se houver uma aplicação com carga pesada, será necessário selecionar um lubrificante contendo aditivos específicos para proteger contra desgaste extremo, aderência e pitting.

O último parâmetro é o ambiente de operação. Se o tribossistema estiver operando em um ambiente sujeito a umidade ou água, o lubrificante necessário deve ser resistente à lavagem por água ou contaminação, além de fornecer boas propriedades anticorrosivas. Quando a aplicação existe em um ambiente contendo líquidos e vapores químicos, o lubrificante necessário deve ser resistente a esses produtos químicos e vapores.

Se o ambiente da aplicação estiver em um vácuo ou vácuo parcial, a pressão atmosférica da aplicação deve estar dentro dos limites operacionais do lubrificante e acima de sua pressão de vapor à temperatura de operação (Lauer, “Tribologia: a Chave para a Seleção Adequada de Lubrificantes”).

Após identificar o sistema e seus parâmetros, o engenheiro tribológico (ou engenheiro de lubrificação) utiliza diferentes químicas de lubrificantes para determinar o lubrificante ideal para a aplicação. Além de escolher os lubrificantes com base na química, o engenheiro tribológico também precisa analisar a aplicação com base no sistema tribológico, o que inclui uma análise dos fatores de velocidade, lubrificação elastohidrodinâmica (EHD), cálculos de vida útil dos rolamentos, lubrificação de alta pressão, lubrificação de emergência e outros requisitos especiais de aplicação.

Métodos de Teste Tribológico

No passado (e até mesmo nos dias de hoje), testar as propriedades tribológicas de materiais envolvia a construção de sistemas completos para realizar testes especializados, tais como testes de campo, testes de bancada, testes de componentes e testes de modelo.

Os testes de modelo, por exemplo, permitem a realização de medições de espessura de filme, atrito e desgaste. Outros testes incluem métodos elétricos e de interferometria, o teste pino-contra-disco, o teste de disco duplo, um teste de movimento alternativo e um triboteste rotativo.

Os testes de tribologia devem sempre ser projetados e realizados para atender a uma necessidade definida, sendo essenciais, pois fornecem informações vitais sobre quaisquer mecanismos de falha de componentes mecânicos.

O que é um Tribologista?

Um Tribologista é um estudioso ou especialista no campo da Tribologia. Leonardo da Vinci é um dos primeiros e mais famosos Tribologistas devido aos seus estudos sobre as leis do atrito. Peter H. Jost, engenheiro mecânico britânico e autor do inovador Relatório Jost, cunhou o termo “Tribologia” em 1966 e é considerado o pai dessa disciplina.

Aqueles envolvidos no desenvolvimento, manutenção e melhoria contínua de programas de lubrificação são Tribologistas por extensão.

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