Guia de Desgaste: Fadiga, Fricção, Erosão e Cavitação
Desgaste por Fadiga
A definição de fadiga, pela norma ASTM E1823-96 [1996][4], é: “o processo de mudança localizada, permanente e progressiva na estrutura, que ocorre no material sujeito a flutuações de tensões e deformações que pode culminar em trincas ou completa fratura depois de um número suficiente de flutuações”.
De forma mais simples, ela é um tipo de desgaste atribuído a carregamentos cíclicos de duas superfícies em contato mútuo e, usualmente, ocorre sem perdas progressivas de material. Este tipo de desgaste pode ocorrer em dois modos:
Fadiga de Contato
O mecanismo de falha chamado de fadiga de contato ou fadiga na superfície é bem comum em alguns componentes mecânicos, como:
- Rolamentos;
- Engrenagens;
- Rodas de trem;
- Cilindros de laminação.
O desgaste devido à fadiga na superfície pode ser caracterizado pela formação de trinca e descamação causada pelo repetitivo e alternado carregamento rolante e deslizante das asperezas na superfície dos sólidos em movimento relativo.[5]
As propriedades dos materiais têm um importante papel no contato de fadiga. Os requisitos básicos do material para rolamentos são ter suficiente dureza para resistir às tensões do contato e, para isso, é necessária a manufatura de rolamentos, rolos e anéis com alta precisão.[6] Aços com alta porcentagem de carbono são os materiais mais amplamente utilizados em contatos rolantes e são relativamente baratos, tendo uma dureza alta quando comparada a outros metais.
Fadiga Térmica
É um modo de falha importante que ocorre em materiais e equipamentos submetidos a mudanças bruscas e cíclicas de temperatura, como em:
- Usinas termoelétricas e termonucleares;
- Cilindros de laminação;
- Turbinas a gás;
- Motores a diesel;
- Turbinas de aeronaves, entre outros.[7]
No caso das usinas termonucleares, a falha por fadiga térmica corresponde a um problema comum e que pode levar a um acidente tipo LOCA (Loss Of Coolant Accident) ou “acidente por perda de refrigerante”. A fadiga térmica provoca tensões e deformações em componentes metálicos por causa de flutuações cíclicas de temperatura, causando danos semelhantes a choques térmicos repetitivos.
Curva S-N
O desempenho de materiais em fadiga normalmente é caracterizado pela "Curva S-N", também conhecida como "Curva de Wöhler", que é um gráfico de magnitude de tensão (S) por número de ciclos (N) em escala logarítmica.[8]
Desgaste por Fricção
Quando um corpo se desloca em contato com outro, existe uma força, chamada atrito ou fricção, em direção oposta ao sentido do movimento.[9] Esta força é proporcional à força de contato entre os corpos; a constante de proporcionalidade é chamada de coeficiente de atrito entre os corpos específicos (cada superfície e corpo tem um coeficiente diferente). Esta força existe porque as superfícies em contato não são perfeitas; há saliências e reentrâncias que se opõem ao movimento. Se as superfícies forem lixadas e/ou um lubrificante for usado, o coeficiente diminui muito porque estas saliências e reentrâncias desaparecem (pela lixa) ou ficam separadas uma da outra (lubrificante).
Desgaste por Erosão
O desgaste por erosão é caracterizado pela remoção de material pelo impacto na superfície de partículas sólidas presentes em um determinado fluido. Esse tipo de desgaste é encontrado em peças de máquinas, tais como:
- Pás de ventiladores;
- Exaustores industriais;
- Pás de turbinas de hidrelétricas;
- Distribuidores de adubos;
- Tubulações, entre outros.
É importante ter a noção desse fator porque as ligas aplicadas serão diferentes de acordo com o tipo de ambiente. No desgaste por erosão, em algumas situações, a peça chega a furar, perder a eficiência no processo e parar o equipamento. O desgaste por erosão em baixa temperatura requer uma liga de carboneto de tungstênio, porque o carboneto de tungstênio é muito aplicado em temperaturas de até 450 graus centígrados. Acima dessa temperatura, o aço começa a sofrer corrosão e, a partir daí, torna-se necessária outra liga, que é o carboneto de cromo.
O carboneto de cromo vai suportar temperaturas de até 900 graus centígrados sem corroer e vai ter uma elevadíssima resistência à erosão nesta temperatura. As principais situações de aplicação desse revestimento são peças de equipamentos de jateamento, onde as partículas passam em altíssima velocidade em ângulos baixos e geram muito desgaste por erosão, e em tubos de caldeira, por exemplo.