Towards the development of poly (phenylene sulphide) based nanocomposites with enhanced mechanical, electrical and tribological properties

Novel poly(phenylene sulphide) (PPS) nanocomposites reinforced with an aminated derivative (PPS-NH2) covalently attached to acid-treated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were prepared via simple melt-blending technique. Their morphology, viscoelastic behaviour, electrical conductivity, mechanical and tribological properties were investigated. Scanning electron microscopy revealed that the grafting process was effective in uniformly dispersing the SWCNTs within the matrix. The storage and loss moduli as a function of frequency increased with the SWCNT content, tending to a plateau in the low-frequency regime. The electrical conductivity of the nanocomposites was considerably enhanced in the range 0.1?0.5 wt% SWCNTs; electrical and rheological percolation thresholds occurred at similar nanotube concentrations. Mechanical tests demonstrated that with only 1.0 wt% SWCNTs the Young's modulus and tensile strength of the matrix improved by 51 and 37%, respectively, without decrement in toughness, ascribed to a very efficient load transfer. A moderate decrease in the friction coefficient and a 75% reduction in wear rate were found for the abovementioned nanotube loading, indicating that PPS-NH2-g-SWCNTs are good tribological additives for thermoplastic polymers. Based on the promising results obtained in this work, it is expected that these nanofillers will be used to develop high-performance thermoplastic/CNT nanocomposites for structural applications.

Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).

High temperature micropillar compression of Al/SiC nanolaminates

The effect of the temperature on the compressive stress–strain behavior of Al/SiC nanoscale multilayers was studied by means of micropillar compression tests at 23 °C and 100 °C. The multilayers (composed of alternating layers of 60 nm in thickness of nanocrystalline Al and amorphous SiC) showed a very large hardening rate at 23 °C, which led to a flow stress of 3.1 ± 0.2 GPa at 8% strain. However, the flow stress (and the hardening rate) was reduced by 50% at 100 °C. Plastic deformation of the Al layers was the dominant deformation mechanism at both temperatures, but the Al layers were extruded out of the micropillar at 100 °C, while Al plastic flow was constrained by the SiC elastic layers at 23 °C. Finite element simulations of the micropillar compression test indicated the role played by different factors (flow stress of Al, interface strength and friction coefficient) on the mechanical behavior and were able to rationalize the differences in the stress–strain curves between 23 °C and 100 °C.

Influence of the track quality and of the properties of the wheel rail rolling contact on vehicle dynamics

This work describes an analytical approach to determine what degree of accuracy is required in the definition of the rail vehicle models used for dynamic simulations. This way it would be possible to know in advance how the results of simulations may be altered due to the existence of errors in the creation of rolling stock models, whilst also identifying their critical parameters. This would make it possible to maximize the time available to enhance dynamic analysis and focus efforts on factors that are strictly necessary.In particular, the parameters related both to the track quality and to the rolling contact were considered in this study. With this aim, a sensitivity analysis was performed to assess their influence on the vehicle dynamic behaviour. To do this, 72 dynamic simulations were performed modifying, one at a time, the track quality, the wheel-rail friction coefficient and the equivalent conicity of both new and worn wheels. Three values were assigned to each parameter, and two wear states were considered for each type of wheel, one for new wheels and another one for reprofiled wheels.After processing the results of these simulations, it was concluded that all the parameters considered show very high influence, though the friction coefficient shows the highest influence. Therefore, it is recommended to undertake any future simulation job with measured track geometry and track irregularities, measured wheel profiles and normative values of wheel-rail friction coefficient.

Optimización del método de ensayo del péndulo de fricción para la evaluación del riesgo de deslizamiento en pavimentos pulidos

El riesgo de caída por deslizamiento en los edificios es un riesgo muy importante ya que supone numerosas muertes, perdida de días laborales y secuelas, así como importantes costes económicos. Se trata de accidentes difíciles de predecir debido al número de factores que intervienen para que se produzcan, muchos de los cuales son difícilmente controlables, como el calzado del usuario o su comportamiento. Para evitar un resbalón es necesario que la fricción del conjunto pavimento/calzado/contaminante supere el coeficiente de fricción requerido para la estabilidad y que depende de la forma de caminar, la longitud del paso, etc. Por ello, es necesario medir la contribución del pavimento al riesgo de deslizamiento y limitarla adecuadamente. A lo largo de la historia reciente se han diseñado y desarrollado multitud de aparatos con la intención de medir esta contribución en la forma de coeficientes de fricción —dinámicos, estáticos, de transición— sin llegar a un acuerdo sobre cuál es el método más apropiado. La reglamentación española de edificación, que ha sufrido un importante cambio recientemente con la adopción de un nuevo código basado en prestaciones, ha sido innovadora en este campo introduciendo por primera vez una medida contrastable de la contribución del pavimento al riesgo de deslizamiento mediante el ensayo del péndulo de fricción en húmedo. Sin embargo, el desacuerdo a nivel europeo sobre un ensayo único y las limitaciones en las normas de ensayo existentes derivadas de esta falta de consenso, han sido la causa de que la solución aportada por el Código Técnico de la Edificación (CTE) se cimentara en normas que no contemplaban todas las modalidades de ensayo. Esto ha generado algunos problemas de aplicación que han afectado fundamentalmente a los pavimentos pulidos, que han visto prácticamente vetada su utilización en los edificios incluso en las zonas donde, por no existir presencia de agua, el riesgo es menor. El objetivo de esta tesis es analizar estos problemas de aplicación, ligados al ensayo del péndulo de fricción, y tratar de resolverlos optimizando el procedimiento de ensayo empleado, modificando sus condiciones, para representar de forma mucho más adecuada el riesgo que se pretende limitar. Para ello se ha estudiado de forma exhaustiva la literatura científica y las normas y reglamentaciones, tanto españolas como extranjeras. Se han detectado los posibles problemas que podría plantear la introducción del ensayo del péndulo de fricción en seco y se ha diseñado una campaña de ensayos, tanto de coeficiente de fricción con el péndulo, como de la rugosidad superficial, para confirmarlos o desecharlos. El análisis de los resultados de la campaña de ensayos ha permitido validar la modalidad de ensayo planteada y proponer una medida complementaria de la rugosidad superficial que resulte útil para facilitar la evaluación de este riesgo no poco importante. Los resultados de esta tesis han permitido desarrollar una modificación del CTE de próxima aparición y un documento de apoyo que ya la adelanta, y con ello, resolver el problema de aplicación del CTE a los pavimentos pulidos. ABSTRACT Slipping accidents in building environments are a serious problem involving numerous fatal accidents, loss of work days, incapacity and great costs. Prediction of such accidents is difficult due to the number of factors involved, many of which are not controllable, like footwear or users behavior. To prevent a slip the coefficient of friction provided by the combination floor-footwear-contaminant must be greater than the required coefficient of friction for stability, that depends on the step length and the walking speed among other factors. It is then necessary to measure the contribution of the floor to the slipping risk so it can be limited to an adequate extent. In the recent history many apparatuses have been developed in order to measure this contribution in the form of friction coefficients —dynamic, static or even transition COFs— but none of them seems to be internationally accepted as sufficiently valid. The Spanish Building Code, which has recently undergone a big change to a performance based code, has been innovative in this area, introducing for the first time a measurement of this contribution by means of the friction pendulum test. However, due to the European disagreement about an unique test for slip resistance, and to the limitations of the European standards derived from it, the Spanish Building Code relies on standards that do not take into account all possible methods. As a consequence, smooth floors have been seriously affected and cannot be installed in almost any place, not even in dry areas where the risk of slipping is much lower. The aim of this research is to analyze these problems associated with the pendulum test and resolve them proposing some changes to the test conditions in order to represent in a proper manner the real risk that is to be considered: the slip in dry conditions. Relevant scientific literature has been studied as well as Spanish and foreign codes and standards. Potential problems of the pendulum test in dry conditions have been detected and an experiment has been designed to confirm or discard them, testing both friction coefficient and surface roughness. The results of the experiment have permitted to validate the pendulum test in dry conditions and to suggest a complementary measurement of the surface roughness to help evaluate the slip resistance of a floor. These results have also permitted to develop an amendment to the building code that will appear soon. In the meanwhile it has been included in a support document issued by the administration to resolve this urgent problem.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyección térmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes sólidos son requeridos para reducir la fricción y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vacío (vehículos espaciales, industria química, motores diésel, turbinas aeronáuticas y de generación de energía…). Los lubricantes líquidos pierden sus características cuando las condiciones de presión, temperatura o ambientales son severas (oxidación, inestabilidad térmica, volatilidad,…), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas próximas a 200 ºC. Por tanto, la única manera de poder conseguir una adecuada lubricación a temperaturas extremas es por medio de sólidos, que cada vez más, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podrían ser empleados en componentes de vehículos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atmósfera, temperaturas de 700 ºC (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos también deberían ser capaces de proporcionar una lubricación efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en frío, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendrían que satisfacer las capas tribológicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aquéllas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados térmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes sólidos pueden ser una buena solución desde el punto de vista tribológico. El “Lewis Research Centre” de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinación de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes sólidos como plata o la eutéctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyección térmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribológico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan características muy atractivas: alta dureza, baja fricción, alto límite elástico de compresión... Son muy frágiles como materiales másicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyección térmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilatación próximos al de los materiales metálicos, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eutéctica de BaF2-CaF2, como lubricantes sólidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) mediante distintos procesos de proyección térmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presión (LPPS) y combustión a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleación base níquel, endurecible por precipitación, con muy buena resistencia mecánica y a la oxidación hasta temperaturas de 870 ºC y, además, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribológicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en tribómetro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricción y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribológicamente a alta temperatura en INTA y en vacío en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribución uniforme de fases…) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vacío. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribológico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyección térmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretendía y, además, como ocurre en cualquier trabajo de investigación, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas líneas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtención de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ºC are reached during re-entry into the Earth’s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since “cold start” operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA‘s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ºC and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.

Forças, momentos e coeficiente de atrito em teste de três pontos e em teste de resistência ao deslizamento com braquetes autoligáveis e fios 0.014\" utilizando um novo dispositivo

O objetivo principal do estudo é comparar o teste em 3 pontos com braquetes com o teste de resistência ao deslizamento utilizando um novo dispositivo que realiza a mensuração simultânea do coeficiente de atrito, das forças e dos momentos nos braquetes de ancoragem e da força de desativação no braquete desalinhado, exercidos por fios ortodônticos. Os objetivos secundários foram desenvolver o dispositivo e comparar, no teste em 3 pontos: (i) a influência, nas grandezas e no coeficiente de atrito cinético, da variação da simetria nas distâncias inter-braquetes, do tipo de braquete de ancoragem (canino ou 2º pré-molar), do deslocamento (3 ou 5mm) do braquete central, do sentido do desalinhamento (vestibular ou lingual) do braquete central e da marca de fio-braquete; (ii) as 3 formas de cálculo do coeficiente de atrito cinético; (iii) os 10 ciclos, para vestibular ou lingual, para verificar se eles são semelhantes ou não entre si. Foram utilizados braquetes autoligáveis (dentes 13, 14 e 15) e fios 0.014\'\' NiTi e CuNiTi das marcas Aditek e Ormco. O teste de resistência ao deslizamento foi realizado no desalinhamento lingual, nos dois deslocamentos e na configuração simétrica. O teste em 3 pontos com braquetes foi realizado no desalinhamento lingual e vestibular, nos dois deslocamentos e na configuração simétrica e assimétrica. Por meio da ANOVA, foram comparados, entre os dois tipos de teste: (A) as grandezas e o coeficiente de atrito e (B) o coeficiente de atrito gerado apenas no braquete de 2º pré-molar. Utilizando-se do mesmo teste estatístico foram comparados, no teste em 3 pontos com braquetes: (A) na configuração simétrica, algumas grandezas e o coeficiente de atrito advindos da variação da marca de fio-braquete, do deslocamento, do desalinhamento e do tipo de braquete; (B) algumas grandezas e o coeficiente de atrito gerados na configuração simétrica e assimétrica; (C) os valores das 3 formas de cálculo do coeficiente de atrito na configuração simétrica; e (D) algumas grandezas e o coeficiente de atrito encontrados nos 10 ciclos. Resultados: (A) a maioria dos valores das grandezas e do coeficiente de atrito gerados pelos dois tipos de teste foram diferentes estatisticamente; (B) o braquete de 2º pré-molar apresentou valores de coeficiente de atrito diferentes entre os dois tipos de teste; (C) na configuração simétrica, as variáveis foram estatisticamente significantes na maioria dos casos para as grandezas analisadas e para o coeficiente de atrito; (D) houve diferença entre a configuração simétrica e assimétrica; (E) o coeficiente de atrito baseado nas duas normais e na força de atrito se aproximou mais da realidade clínica e foi sensível à variação da geometria da relação fio-braquete; e (F) os 10 ciclos para lingual foram semelhantes entre si em 70% dos casos e os 10 ciclos para vestibular foram diferentes em 57% dos casos. Conclusões: o teste em 3 pontos com braquetes é diferente do teste de resistência ao deslizamento; a variação das configurações geométricas e da marca de fio-braquete pode influenciar nos valores das grandezas e do coeficiente de atrito cinético; os 10 ciclos para lingual foram mais semelhantes entre si que os 10 ciclos para vestibular.

Análise do coeficiente de atrito no ensaio do anel para o forjamento a quente.

O presente trabalho, apresenta resultados da investigação experimental e da análise computacional acerca do método de ensaio de anéis de aço para obtenção do valor do coeficiente de atrito, existente na região de contato entre as matrizes e os corpos de prova. Buscando atingir os objetivos, foi feito um planejamento do experimento, através do programa MINITAB (2000), levando-se em consideração as variáveis do processo para forjamento a quente de peças para indústria automotiva, os experimentos foram realizados nos laboratórios da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). A simulação do ensaio de anel permitiu uma boa estimativa da redução de diâmetros dos mesmos, bem como, do fluxo de material no interior dos anéis e da superfície neutra. A análise estatística dos resultados mostrou que a variável mais importante a afetar o coeficiente de atrito foi a temperatura, seguindo-se do tipo de revestimento das ferramentas, velocidade e material. Para um estudo mais pormenorizado do efeito do material a ser forjado, do recobrimento das ferramentas e da rugosidade das mesmas no coeficiente de atrito será necessário um maior número de repetições dos experimentos.

Efeito do cobre como adição interfacial no sistema tribológico pino X disco.

O presente trabalho de mestrado teve como meta realizar um estudo do comportamento do cobre particulado em ensaios tribológicos do tipo pino contra disco. O cobre é atualmente utilizado em até 15% em massa das pastilhas de freios automotivos e tal utilização é responsável pela emissão de até 70% do cobre particulado presente no ar. Devido ao caráter carcinogênico do cobre, se faz necessária sua substituição. Foram realizados ensaios tribológicos pino disco com adição de diferentes meios interfaciais. Foram utilizados pares tribológicos aço/aço, em ensaios a seco de pino contra disco com adição de meio interfacial nanoparticulado de óxido de ferro, grafite e de cobre metálico em diferentes granulometrias (400 m, 20 m e 50 nm). Após os ensaios, amostras das superfícies de pinos e discos para cada uma das adições de cobre, bem como para a condição sem adição de meio interfacial, foram caracterizadas utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, de forma a entender o comportamento das partículas de cobre e sua contribuição para o coeficiente de atrito. As adições de cobre obtiveram os maiores coeficientes de atrito, e entre elas os coeficientes de atrito foram mais altos durante todos os ensaios para a adição de 50 nm, seguido de 20 m e 400 m. A análise das superfícies tribológicas em MEV mostrou heterogeneidade das superfícies ensaiadas em relação à presença de debris oxidados e camadas compactas. Observou-se a presença de cobre apenas nas superfícies ensaiadas com adição dos cobres de 50 nm e 20 m. A presença de um filme óxido compacto e contínuo foi observada apenas nas superfícies tribológicas ensaiadas sem adição de meio interfacial e com adição de cobre a 400 m.

Comportamento em desgaste por erosão cavitação, erosão - corrosão e em ensaios de microesclerometria linear instrumentada de um aço inoxidável martensítico AISI 410 nitretado a plasma em baixa temperatura, utilizando a tecnologia de tela ativa.

Amostras de um aço inoxidável martensítico AISI 410 temperado e revenido foram nitretadas a plasma em baixa temperatura usando o tratamento de nitretação plasma DC e a nitretação a plasma com tela ativa. Ambos os tratamentos foram realizados a 400 °C, utilizando mistura gasosa de 75 % de nitrogênio e 25 % de hidrogênio durante 20 horas e 400 Pa de pressão. As amostras de aço AISI 410 temperado e revenido foram caracterizadas antes e depois dos tratamentos termoquímicos, usando as técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de microdureza, difração de raios X e medidas de teor de nitrogênio em função da distância à superfície por espectrometria WDSX de raios X. A resistência à erosão por cavitação do aço AISI 410 nitretado DC e com tela ativa foi avaliada segundo a norma ASTM G32 (1998). Os ensaios de erosão, de erosão - corrosão e de esclerometria linear instrumentada segundo norma ASTM C1624 (2005) somente foram realizados no aço AISI 410 nitretado com tela ativa. Ensaios de nanoindentação instrumentada forma utilizados para medir a dureza (H) e o módulo de elasticidade reduzido (E*) e calcular as relações H/E* e H3/E*2 e a recuperação elástica (We), utilizando o método proposto por Oliver e Pharr. Ambos os tratamentos produziram camadas nitretadas de espessura homogênea constituídas por martensita expandida supersaturada em nitrogênio e nitretos de ferro com durezas superiores a 1200 HV, porém, a nitretação DC produziu maior quantidade de nitretos de ferro do que o tratamento de tela ativa. Os resultados de erosão por cavitação do aço nitretado DC mostraram que a precipitação de nitretos de ferro é prejudicial para a resistência à cavitação já que reduziu drasticamente o período de incubação e aumentou a taxa de perda de massa nos estágios iniciais do ensaio; entretanto, depois da remoção desses nitretos de ferro, a camada nitretada formada somente por martensita expandida resistiu bem ao dano por cavitação. Já no caso do aço nitretado com tela ativa, a resistência à erosão por cavitação aumentou 27 vezes quando comparada com o aço AISI 410 sem nitretar, fato atribuído à pequena fração volumétrica e ao menor tamanho dos nitretos de ferro presente na camada nitretada, às maiores relações H/E* e H3/E*2 e à alta recuperação elástica da martensita expandida. A remoção de massa ocorreu, principalmente, pela formação de crateras e de destacamento de material da superfície dos grãos por fratura frágil sem evidente deformação plástica. As perdas de massa acumulada mostradas pelo aço nitretado foram menores do que aquelas do aço AISI 410 nos ensaios de erosão e de erosão corrosão. O aço nitretado apresentou uma diminuição nas taxas de desgaste em ambos os ensaios de aproximadamente 50 % quando comparadas com o aço AISI 410. O mecanismo de remoção de material foi predominantemente dúctil, mesmo com o grande aumento na dureza. Os resultados de esclerometria linear instrumentada mostraram que a formação de martensita expandida possibilitou uma diminuição considerável do coeficiente de atrito em relação ao observado no caso do aço AISI 410 sem nitretar. O valor de carga crítica de falha foi de 14 N. O mecanismo de falha operante no aço nitretado foi trincamento por tensão.

Influência do acabamento superficial no desempenho de lubrificantes de motor novos e usados em automóveis abastecidos com E22 e E100.

Superfícies anisotrópicas lisas e rugosas foram usadas para avaliar o efeito da rugosidade e da direção de acabamento na formação de MoS2 a partir de MoDTC em ensaios tribologicos lubrificados com óleos de motor completamente formulados. Igualmente foi avaliada a resposta de atrito de lubrificantes de motor usados em carros de passageiros e em testes de dinamômetro abastecidos com etanol (E100) e gasolina (E22). Encontrou-se que tanto a direção de acabamento quanto a rugosidade foram fundamentais na reação MoDTC - MoS2. A direção de acabamento influenciou na medida que carregamentos tangenciais geram respostas diferentes nos ensaios quando são realizados paralelos e perpendiculares às linhas de acabamento, dado que para os últimos apresenta-se maior deformação plástica das asperezas, o qual favorece a obtenção de superfícies livres de óxidos, que tem sido indicada como uma condição necessário para que aconteça a reação MoDTC - MoS2. Por esta razão os valores de coeficiente de atrito próprios da formação de MoS2 foram obtidos somente nas superfícies rugosas ensaiadas perpendiculares às marcas de acabamento. Para superfícies com valores de índice de plasticidade superiores a 1 e nos quais não são formados filmes com boas capacidades redutoras de atrito, como é o caso de ensaios realizados com óleos base (livres de aditivos), o coeficiente de atrito não depende da rugosidade e da direção de acabamento. Nos ensaios lubrificados com óleos usado, encontraram-se valores de coeficiente de atrito similares aos obtidos nas condições de lubrificação com óleo livres de aditivos, devido provavelmente à redução do MoDTC no lubrificante como tem sido identificado por diferentes autores. Quando foram comparados os óleos usados contaminados com etanol com os óleos usados contaminados com gasolina, encontrou-se maior oxidação nestes últimos. Mesmo que estas diferenças de oxidação dos óleos não significaram diferenças em termos de atrito, estas podem ser importantes na medida em que óleos mais oxidados podem favorecer o desgaste oxidativo.

Abrasão de ferro fundido cinzento: aplicação a motores automotivos.

Uma parte significativa das perdas por atrito num motor automotivo resulta da ação de partículas abrasivas. Dentre as fontes possíveis, podem ser citados o próprio meio ambiente - partículas que passam pelo filtro de ar - o desgaste de partes metálicas do motor ou mesmo resíduos de combustão. Essas partículas podem ficar encrustadas em anéis do pistão, ou ficar na interface entre pistão e bloco ou camisa, e são responsáveis por sulcos axiais, na direção do movimento do pistão, observáveis em motores usados. O objetivo deste trabalho foi obter um melhor entendimento dos mecanismos de desgaste relacionados com o sulcamento de camisa/bloco e identificar conjuntos de testes laboratoriais capazes de reproduzi-los sob condições controladas. Amostras de ferro fundido cinzento (FoFo) e de aço AISI 1070 com dureza de matriz próxima daquela encontrada em FoFo (?200HV30) foram submetidas a ensaios de riscamento em tribômetros. Verificou-se que riscos executados com um endentador cônico submetido a cargas na faixa de 20 a 50 mN eram similares aos sulcos observados em camisas ou blocos. Ensaios com outros materiais, como alumínio e latão e mesmo aço de diferentes durezas contribuíram para melhorar o entendimento dos resultados. Não foi observada transição brusca entre mecanismos de abrasão. O cálculo do fator de remoção de material, fab, a partir de perfilometria óptica resultou em valores com dispersão elevada; não foi possível associa-los aos diferentes mecanismos de abrasão observados. Valores obtidos para o coeficiente de atrito no riscamento permitiram fazer uma estimativa inicial de energia gasta nos processos abrasivos do motor.

Shaking-table tests of flat-bottom circular silos containing grain-like material

According to Eurocode 8, the seismic design of flat-bottom circular silos containing grain-like material is based on a rough estimate of the inertial force imposed on the structure by the ensiled content during an earthquake: 80% of the mass of the content multiplied by the peak ground acceleration. A recent analytical consideration of the horizontal shear force mobilised within the ensiled material during an earthquake proposed by some of the authors has resulted in a radically reduced estimate of this load suggesting that, in practice, the effective mass of the content is significantly less than that specified. This paper describes a series of laboratory tests that featured shaking table and a silo model, which were conducted in order to obtain some experimental data to verify the proposed theoretical formulations and to compare with the established code provisions. Several tests have been performed with different heights of ensiled material – about 0.5 mm diameter Ballotini glass – and different magnitudes of grain–wall friction. The results indicate that in all cases, the effective mass is indeed lower than the Eurocode specification, suggesting that the specification is overly conservative, and that the wall–grain friction coefficient strongly affects the overturning moment at the silo base. At peak ground accelerations up to around 0.35 g, the proposed analytical formulation provides an improved estimate of the inertial force imposed on such structures by their contents.

(Table 1) Results from XRD analysis as well as sediment type and selected results from ring shear experiments

The location of the seaward tip of a subduction thrust controls material transfer at convergent plate margins, and hence global mass balances. At approximately half of those margins, the material of the subducting plate is completely underthrust so that no accretion or even subduction erosion takes place. Along the remaining margins, material is scraped off the subducting plate and added to the upper plate by frontal accretion. We here examine the physical properties of subducting sediments off Costa Rica and Nankai, type examples for an erosional and an accretionary margin, to investigate which parameters control the level where the frontal thrust cuts into the incoming sediment pile. A series of rotary-shear experiments to measure the frictional strength of the various lithologies entering the two subduction zones were carried out. Results include the following findings: (1) At Costa Rica, clay-rich strata at the top of the incoming succession have the lowest strength (µres = 0.19) while underlying calcareous ooze, chalk and diatomite are strong (up to µres = 0.43; µpeak = 0.56). Hence the entire sediment package is underthrust. (2) Off Japan, clay-rich deposits within the lower Shikoku Basin inventory are weakest (µres = 0.13-0.19) and favour the frontal proto-thrust to migrate into one particular horizon between sandy, competent turbidites below and ash-bearing mud above. (3) Taking in situ data and earlier geotechnical testing into account, it is suggested that mineralogical composition rather than pore-pressure defines the position of the frontal thrust, which locates in the weakest, clay mineral-rich (up to 85 wt.%) materials. (4) Smectite, the dominant clay mineral phase at either margin, shows rate strengthening and stable sliding in the frontal 50 km of the subduction thrust (0.0001-0.1 mm/s, 0.5-25 MPa effective normal stress). (5) Progressive illitization of smectite cannot explain seismogenesis, because illite-rich samples also show velocity strengthening at the conditions tested.

Ocular biotribology and contact lens lubrication mechanisms

The work described in this thesis is concerned with mechanisms of contact lens lubrication. There are three major driving forces in contact lens design and development; cost, convenience, and comfort. Lubrication, as reflected in the coefficient of friction, is becoming recognised as one of the major factors affecting the comfort of the current generation of contact lenses, which have benefited from several decades of design and production improvements. This work started with the study of the in-eye release of soluble macromolecules from a contact lens matrix. The vehicle for the study was the family of CIBA Vision Focus® DAILIES® daily disposable contact lenses which is based on polyvinyl alcohol (PVA). The effective release of linear soluble PVA from DAILIES on the surface of the lens was shown to be beneficial in terms of patient comfort. There was a need to develop a novel characterisation technique in order to study these effects at surfaces; this led to the study of a novel tribological technique, which allowed the friction coefficients of different types of contact lenses to be measured reproducibly at genuinely low values. The tribometer needed the ability to accommodate the following features: (a) an approximation to eye lid load, (b) both new and ex-vivo lenses, (c) variations in substrate, (d) different ocular lubricants (including tears). The tribometer and measuring technique developed in this way was used to examine the surface friction and lubrication mechanisms of two different types of contact lenses: daily disposables and silicone hydrogels. The results from the tribometer in terms of both mean friction coefficient and the friction profiles obtained allowed various mechanisms used for surface enhancement now seen in the daily disposable contact lens sector to be evaluated. The three major methods used are: release of soluble macromolecules (such as PVA) from the lens matrix, irreversible surface binding of a macromolecule (such as polyvinyl pyrrolidone) by charge transfer and the simple polymer adsorption (e.g. Pluoronic) at the lens surface. The tribological technique was also used to examine the trends in the development of silicone hydrogel contact lenses. The focus of the principles in the design of silicone hydrogels has now shifted from oxygen permeability, to the improvement of surface properties. Presently, tribological studies reflect the most effective in vitro method of surface evaluation in relation to the in-eye comfort.