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FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA: TRIBOLOGÍA
Tribología: Ciencia que estudia la relación entre el desgaste, la fricción y la lubricación. INTRODUCIÓN
El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos, incluso está presente en la naturaleza. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales
La fricción y el desgaste hacen parte de la naturaleza
Desgaste - Erosión – en arrecifes
Ocasionada por movimiento del agua del mar y arena en suspensión
La fricción y el desgaste hacen parte de la cultura humana
Fricción - Para hacer fuego
La fricción y el desgaste hacen parte de la cultura humana Desgaste - Procesos de Fabricación los los Procesos Procesos tradicionales tradicionales se se derivan derivan de de desarollos desarollos pré pré -- históricos...aún históricos...aún están están en en pleno pleno uso! uso! Taladrado Taladrado primitivo primitivo de de utensílios utensílios
Maquinado Maquinado “moderno” “moderno”
Lubricación http://www.msd-brazil.com/msd43/m_manual/mm_sec5_46.htm
2. FACTORES QUE FAVORECEN EL DESGASTE DE PIEZAS MECÁNICAS -
Mal diseño de elementos mecánicos
-
Utilización de materiales no adecuados
-
Poca o ninguna utilización de lubricantes adecuados -
Desconocimiento del fenómeno
Desconocimiento de las condiciones del lugar de trabajo
Historia:
“Edad de la Piedra Pulida”, involucra la importancia del empleo del desgaste (pulimento) en la conformación de instrumentos y herramientas. La utilización de instrumentos asociada al desgaste, llevó a la designación de este como “usura” derivada de la expresión inglesa “wear” o francesa “usure”.
Quizá fue la observación de como el propio cuerpo reaccionaba ante la acción de los abrasivos o al deslizamiento de las armas y utensilios contra las manos, que el hombre comenzó a entender como combatir el desgaste
Leonardo DaVinci en el renacimiento (siglo XV), analizó rodamientos, iniciándose así una lenta formalización de los conceptos de desgaste. En 1966 un estudio económico en Inglaterra mostró las pérdidas por fricción y desgaste. Este hecho hizo que el gobierno inglés decidiera estimular el estudio de lo que convencionalmente se llamó Tribología.
El mismo hecho ocurrió casi que simultáneamente en Alemania y en los Estados Unidos, en función de las pérdidas por desgaste, que alcanzaron valores de 3 al 6 % de los productos internos brutos de esos países.
Académicamente, el estudio del desgaste y la fricción constituyen uno de los últimos aspectos de la mecánica clásica Bajo la óptica de la ingeniería, la tribología cobra importancia debido a: Las cargas impuestas a los componentes mecánicos.
La disminución constante de las tolerancias permitidas en los procesos de fabricación y Las crecientes restricciones en cuanto a la emisión de contaminantes
Tópicos sobre los cuales centros de investigación especializados han adelantado o debería adelantar estudios serios. Tópicos Investigados
Tópicos a investigar en el futuro
1.Cojinetes de deslizamiento 2.Desgaste metálico 3.Aditivos en lubricantes 4.Polímeros 5.Lubricación elastohidrodinámica 6.Fricción 7.Mecánica de contacto 8.Transferencia de tecnología 9. Anillos de pistón 10.Tratamientos y recubrimientos superficiales 11.Diseño de cojinetes 12.Desgaste abrasivo
1.Trasferencia de tecnología 2.Tratamiento y recubrimientos superficiales 3.Desgaste metálico 4.Efectos térmicos 5.Lubricación límite 6.Lubricación elastohidrodinámica 7.Fricción 8.Mecánica de contacto 9.Desgaste abrasivo 10.Desgaste en polímeros 11.Motores reciprocantes 12.Cerámicos 13.Aditivos 14.Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo 15.Desgaste por cavitación y cavitaciónerosión
Generalidades sobre superficies sólidas
Las interfaces sólido-líquido o sólido-vapor presentan estructura y características complejas en dependencia de: - La naturaleza de los sólidos - Del método de preparación superficial y
- De la interacción entre la superficie y el ambiente de trabajo. Las características superficiales afectan el área de contacto verdadera, la fricción, el desgaste y la lubricación. Las superficies cumplen funciones como: Tribológicas, de desempeño óptico, eléctrico y térmico, así como dar la estética de la parte y de su facilidad para ser pintada.
TEXTURA SUPERFICIAL
MECÁNICA DE CONTACTO Contacto macroscópico. Estudia la relación entre la carga aplicada y la deformación ocasionada en los cuerpos. El contacto macroscópico admite que las superficies en contacto son lisas.
La fricción y el desgaste entre dos superficies sólidas en contacto y sin lubricación, dependen de cómo las irregularidades superficiales se deforman (elástica, elasto-plástica o plástica, en dependencia de la fuerza aplicada.
Contacto entre una esfera y un plano.
FNR a 1.11 E Pmáx
FN .E 0.38 2 R
max = 0.31 FNmax
t máx
2
1 3
1
3
1 2 FN . 2 1 C '. 2 a
3 4 C' . 8 1 2
Área real y área aparente de contacto Se presentan dos condiciones 1. contacto estático y 2. Contacto deslizante
Contacto estático
Ar Ai n
i 1
FN Ar Py P Ar y
Ar: área real d contacto y Ai: área de cada punto individual FN: Fuerza normal y Py: Presión de fluencia
Contacto con deslizamiento A r*
F FN 1 C1 T Py FN
2
F A r* A r 1 C1 T FN
P: Fuerza normal * y Py: Presión de A r A r fluencia
2
F 1 C1 T FN Py 1 Py
2
Ar*:área real en deslizamiento, Ar: área real estática, Py: cambio en la presión de fluencia debido a endurecimiento -Py en ablandamiento, C1~10
La ASTM G40/93 define la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción de la siguiente manera. La fuerza de fricción es la fuerza tangencial resistente que actúa en la interface de dos cuerpos y es la resultante de la acción de una fuerza externa aplicada a un cuerpo que se mueve o tiende a moverse sobre otro. El coeficiente de fricción es la razón entre la fuerza tangencial (Ff), resistente al movimiento entre dos cuerpos y la fuerza normal N aplicada a estos cuerpos. Ff
N
Fricción es Propriedad del sistema
CONTROL DE LA FRICCIÓN ESTÁTICA causas y posibles estratégias CAUSAS
Química (adhesión)
formación de uniones entre las superfícies
Mecánica
Penetración de asperezas duras en un contracuerpo de menor dureza
ESTRATÉGIAS Compatibilidad de Lubricación Rugosidad Temperatura
dureza Rugosidad del cuerpo de mayor H Recubrimientos presión de contacto
Tipos de desgaste Erosión
Corrosión
Abrasión
Deslizamiento
Cavitación
TIPOS DE DESGASTE Razones que impulsan el conocimiento de los diferentes tipos de desgaste Sistematización de procedimientos, Automatización de los cálculos,
Valoración de la forma y del contenido, Cambio de concepto; yendo de lo determinístico para lo probabilístico, Optimización entre los materiales y el medio ambiente; teniendo en cuenta su procesamiento, funcionalidad, estética, intercambiabilidad, confiabilidad de su vida de servicio, Reciclaje de los materiales al final de su vida, etc. También las micromáquinas y microensayos están impulsando la ingeniería buscando desarrollos más eficaces y eficientes.
1. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO (FC) Tipo de desgaste importante en el caso de piezas que trabajan teóricamente en rotación pura (se ha controlado en forma eficiente cualquier pequeño deslizamiento). Este tipo de desgaste es común en dientes de engranajes, sistemas biela – seguidor y cojinetes de rodamiento
FATIGA DE CONTACTO EN UN SISTEMA RUEDA – RIEL
El mecanismo principal de falla es la aparición y propagación de grietas después que las superfícies han almacenado una determinada deformación plástica.
Contacto por rodadura elástico: (a) contacto elástico; (b) Esfuerzo de tensión que actúa en la punta de una grieta; (c) propagación de la grieta; y (d) generación de la partícula de desgaste.
Desgaste adhesivo La adhesión esta asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas contacto íntimo. La adhesión conlleva además al soldado en frío de las superficies.
DESGASTE POR CAVITACIÓN
• Frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos. Este tipo de desgaste es un problema serio que genera grandes dificultades en la manutención de equipos hidráulicos
DESGASTE EROSIVO
Definición general: daño provocado en una superficie por impactos repetitivos de partículas, que pueden ser de diferente naturaleza, tamaño y forma. Según ASTM G40/90: pérdida progresiva de material de una superficie sólida debido a la interacción mecánica con un fluido, un fluido multi-componente o impacto (“impinging”) de líquido o partículas sólidas. La erosión afecta principalmente equipos y piezas en las industrias agrícola, minera y alimenticia, como es el caso de turbinas hidráulicas, implementos para labrar la tierra, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas; al igual que piezas específicas usadas en las industrias petrolífera y petroquímica; en vehículos, aviones, entre otros sistemas Primera Conferencia Colombiana de Tribología y Fenómenos de Superficie, TFS 2004- Medellín, 27, 28 y 29 de Octubre
Primera Conferencia Colombiana de Tribología y Fenómenos de Superficie, TFS 2004- Medellín, 27, 28 y 29 de Octubre
Formas de actuación de partículas erosivas (a) microcorte y micro-arado, (b) Agrietado superficial, (c) Desplazamiento de material (d) grietas por fatiga superficial y sub-superficial (e) Formación de pequeñas hojuelas y (f) Formación de pequeñas hojuelas por múltiples impactos
Dispositivo para evaluar erosión en seco
Conexión a la red de aire a presión
DESGASTE ABRASIVO.
Según la Norma ASTM G40-92, el desgaste abrasivo es la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras forzadas a moverse contra a lo largo de una superficie sólida. Este tipo de desgaste constituye una de las causas más importantes de daño en elementos y maquinaria del sector minero, agroindustrial, de movimiento de tierra, entre otros.
Desgaste abrasivo a dos cuerpos
Desgaste abrasivo a tres cuerpos
Por qué estudiar el desgaste abrasivo?
MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO
Abrasión En abrasión es necesario considerar el abrasivo
Geometría Tamaño Dureza
Tenacidad
Desgaste por “fretting”
• “Fretting”- movimiento oscilatorio de pequeña amplitud • Amplitud por encima de 1m y menor que.....100 a 300m
Un fenómeno asociado al daño por fretting, es la aparición de grietas en la región afectada, lo que ocasiona reducción de la resistencia a fatiga del material, en caso que el componente experimente esfuerzos cíclicos. El daño por fretting ocurre en aquellas zonas de contacto donde ocurren pequeños deslizamientos
Fatiga superficial
Sistemas donde predomina el mecanismo de Fatiga superficial
Fatiga superficial
Imagen SEM mostrando fractura por fatiga en un punzón de acero de herramientas (AISI D1) utilizado para cortar lámina de acero inoxidable de 1 mm. de espesor
Reacción Triboquímica Sistemas donde predomina el mecanismo de reacción triboquímica
Reacción Triboquímica Material Material del del sustrato sustrato Remoción Remoción de de capas capas
Cinética de de Cinética Formación Formación de capas capas de
VARIABLES
Adhesión de de Adhesión las capas capas las
Cargas Cargas presentes presentes
Fractura: Relación capa sustrato
FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA: TRIBOLOGÍA
Tribología: Ciencia que estudia la relación entre el desgaste, la fricción y la lubricación. INTRODUCIÓN
El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos, incluso está presente en la naturaleza. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales
La fricción y el desgaste hacen parte de la naturaleza
Desgaste - Erosión – en arrecifes
Ocasionada por movimiento del agua del mar y arena en suspensión
La fricción y el desgaste hacen parte de la cultura humana
Fricción - Para hacer fuego
La fricción y el desgaste hacen parte de la cultura humana Desgaste - Procesos de Fabricación los los Procesos Procesos tradicionales tradicionales se se derivan derivan de de desarollos desarollos pré pré -- históricos...aún históricos...aún están están en en pleno pleno uso! uso! Taladrado Taladrado primitivo primitivo de de utensílios utensílios
Maquinado Maquinado “moderno” “moderno”
Lubricación http://www.msd-brazil.com/msd43/m_manual/mm_sec5_46.htm
2. FACTORES QUE FAVORECEN EL DESGASTE DE PIEZAS MECÁNICAS -
Mal diseño de elementos mecánicos
-
Utilización de materiales no adecuados
-
Poca o ninguna utilización de lubricantes adecuados -
Desconocimiento del fenómeno
Desconocimiento de las condiciones del lugar de trabajo
Historia:
“Edad de la Piedra Pulida”, involucra la importancia del empleo del desgaste (pulimento) en la conformación de instrumentos y herramientas. La utilización de instrumentos asociada al desgaste, llevó a la designación de este como “usura” derivada de la expresión inglesa “wear” o francesa “usure”.
Quizá fue la observación de como el propio cuerpo reaccionaba ante la acción de los abrasivos o al deslizamiento de las armas y utensilios contra las manos, que el hombre comenzó a entender como combatir el desgaste
Leonardo DaVinci en el renacimiento (siglo XV), analizó rodamientos, iniciándose así una lenta formalización de los conceptos de desgaste. En 1966 un estudio económico en Inglaterra mostró las pérdidas por fricción y desgaste. Este hecho hizo que el gobierno inglés decidiera estimular el estudio de lo que convencionalmente se llamó Tribología.
El mismo hecho ocurrió casi que simultáneamente en Alemania y en los Estados Unidos, en función de las pérdidas por desgaste, que alcanzaron valores de 3 al 6 % de los productos internos brutos de esos países.
Académicamente, el estudio del desgaste y la fricción constituyen uno de los últimos aspectos de la mecánica clásica Bajo la óptica de la ingeniería, la tribología cobra importancia debido a: Las cargas impuestas a los componentes mecánicos.
La disminución constante de las tolerancias permitidas en los procesos de fabricación y Las crecientes restricciones en cuanto a la emisión de contaminantes
Tópicos sobre los cuales centros de investigación especializados han adelantado o debería adelantar estudios serios. Tópicos Investigados
Tópicos a investigar en el futuro
1.Cojinetes de deslizamiento 2.Desgaste metálico 3.Aditivos en lubricantes 4.Polímeros 5.Lubricación elastohidrodinámica 6.Fricción 7.Mecánica de contacto 8.Transferencia de tecnología 9. Anillos de pistón 10.Tratamientos y recubrimientos superficiales 11.Diseño de cojinetes 12.Desgaste abrasivo
1.Trasferencia de tecnología 2.Tratamiento y recubrimientos superficiales 3.Desgaste metálico 4.Efectos térmicos 5.Lubricación límite 6.Lubricación elastohidrodinámica 7.Fricción 8.Mecánica de contacto 9.Desgaste abrasivo 10.Desgaste en polímeros 11.Motores reciprocantes 12.Cerámicos 13.Aditivos 14.Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo 15.Desgaste por cavitación y cavitaciónerosión
Generalidades sobre superficies sólidas
Las interfaces sólido-líquido o sólido-vapor presentan estructura y características complejas en dependencia de: - La naturaleza de los sólidos - Del método de preparación superficial y
- De la interacción entre la superficie y el ambiente de trabajo. Las características superficiales afectan el área de contacto verdadera, la fricción, el desgaste y la lubricación. Las superficies cumplen funciones como: Tribológicas, de desempeño óptico, eléctrico y térmico, así como dar la estética de la parte y de su facilidad para ser pintada.
TEXTURA SUPERFICIAL
MECÁNICA DE CONTACTO Contacto macroscópico. Estudia la relación entre la carga aplicada y la deformación ocasionada en los cuerpos. El contacto macroscópico admite que las superficies en contacto son lisas.
La fricción y el desgaste entre dos superficies sólidas en contacto y sin lubricación, dependen de cómo las irregularidades superficiales se deforman (elástica, elasto-plástica o plástica, en dependencia de la fuerza aplicada.
Contacto entre una esfera y un plano.
FNR a 1.11 E Pmáx
FN .E 0.38 2 R
max = 0.31 FNmax
t máx
2
1 3
1
3
1 2 FN . 2 1 C '. 2 a
3 4 C' . 8 1 2
Área real y área aparente de contacto Se presentan dos condiciones 1. contacto estático y 2. Contacto deslizante
Contacto estático
Ar Ai n
i 1
FN Ar Py P Ar y
Ar: área real d contacto y Ai: área de cada punto individual FN: Fuerza normal y Py: Presión de fluencia
Contacto con deslizamiento A r*
F FN 1 C1 T Py FN
2
F A r* A r 1 C1 T FN
P: Fuerza normal * y Py: Presión de A r A r fluencia
2
F 1 C1 T FN Py 1 Py
2
Ar*:área real en deslizamiento, Ar: área real estática, Py: cambio en la presión de fluencia debido a endurecimiento -Py en ablandamiento, C1~10
La ASTM G40/93 define la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción de la siguiente manera. La fuerza de fricción es la fuerza tangencial resistente que actúa en la interface de dos cuerpos y es la resultante de la acción de una fuerza externa aplicada a un cuerpo que se mueve o tiende a moverse sobre otro. El coeficiente de fricción es la razón entre la fuerza tangencial (Ff), resistente al movimiento entre dos cuerpos y la fuerza normal N aplicada a estos cuerpos. Ff
N
Fricción es Propriedad del sistema
CONTROL DE LA FRICCIÓN ESTÁTICA causas y posibles estratégias CAUSAS
Química (adhesión)
formación de uniones entre las superfícies
Mecánica
Penetración de asperezas duras en un contracuerpo de menor dureza
ESTRATÉGIAS Compatibilidad de Lubricación Rugosidad Temperatura
dureza Rugosidad del cuerpo de mayor H Recubrimientos presión de contacto
Tipos de desgaste Erosión
Corrosión
Abrasión
Deslizamiento
Cavitación
TIPOS DE DESGASTE Razones que impulsan el conocimiento de los diferentes tipos de desgaste Sistematización de procedimientos, Automatización de los cálculos,
Valoración de la forma y del contenido, Cambio de concepto; yendo de lo determinístico para lo probabilístico, Optimización entre los materiales y el medio ambiente; teniendo en cuenta su procesamiento, funcionalidad, estética, intercambiabilidad, confiabilidad de su vida de servicio, Reciclaje de los materiales al final de su vida, etc. También las micromáquinas y microensayos están impulsando la ingeniería buscando desarrollos más eficaces y eficientes.
1. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO (FC) Tipo de desgaste importante en el caso de piezas que trabajan teóricamente en rotación pura (se ha controlado en forma eficiente cualquier pequeño deslizamiento). Este tipo de desgaste es común en dientes de engranajes, sistemas biela – seguidor y cojinetes de rodamiento
FATIGA DE CONTACTO EN UN SISTEMA RUEDA – RIEL
El mecanismo principal de falla es la aparición y propagación de grietas después que las superfícies han almacenado una determinada deformación plástica.
Contacto por rodadura elástico: (a) contacto elástico; (b) Esfuerzo de tensión que actúa en la punta de una grieta; (c) propagación de la grieta; y (d) generación de la partícula de desgaste.
Desgaste adhesivo La adhesión esta asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas contacto íntimo. La adhesión conlleva además al soldado en frío de las superficies.
DESGASTE POR CAVITACIÓN
• Frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos. Este tipo de desgaste es un problema serio que genera grandes dificultades en la manutención de equipos hidráulicos
DESGASTE EROSIVO
Definición general: daño provocado en una superficie por impactos repetitivos de partículas, que pueden ser de diferente naturaleza, tamaño y forma. Según ASTM G40/90: pérdida progresiva de material de una superficie sólida debido a la interacción mecánica con un fluido, un fluido multi-componente o impacto (“impinging”) de líquido o partículas sólidas. La erosión afecta principalmente equipos y piezas en las industrias agrícola, minera y alimenticia, como es el caso de turbinas hidráulicas, implementos para labrar la tierra, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas; al igual que piezas específicas usadas en las industrias petrolífera y petroquímica; en vehículos, aviones, entre otros sistemas Primera Conferencia Colombiana de Tribología y Fenómenos de Superficie, TFS 2004- Medellín, 27, 28 y 29 de Octubre
Primera Conferencia Colombiana de Tribología y Fenómenos de Superficie, TFS 2004- Medellín, 27, 28 y 29 de Octubre
Formas de actuación de partículas erosivas (a) microcorte y micro-arado, (b) Agrietado superficial, (c) Desplazamiento de material (d) grietas por fatiga superficial y sub-superficial (e) Formación de pequeñas hojuelas y (f) Formación de pequeñas hojuelas por múltiples impactos
Dispositivo para evaluar erosión en seco
Conexión a la red de aire a presión
DESGASTE ABRASIVO.
Según la Norma ASTM G40-92, el desgaste abrasivo es la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras forzadas a moverse contra a lo largo de una superficie sólida. Este tipo de desgaste constituye una de las causas más importantes de daño en elementos y maquinaria del sector minero, agroindustrial, de movimiento de tierra, entre otros.
Desgaste abrasivo a dos cuerpos
Desgaste abrasivo a tres cuerpos
Por qué estudiar el desgaste abrasivo?
MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO
Abrasión En abrasión es necesario considerar el abrasivo
Geometría Tamaño Dureza
Tenacidad
Desgaste por “fretting”
• “Fretting”- movimiento oscilatorio de pequeña amplitud • Amplitud por encima de 1m y menor que.....100 a 300m
Un fenómeno asociado al daño por fretting, es la aparición de grietas en la región afectada, lo que ocasiona reducción de la resistencia a fatiga del material, en caso que el componente experimente esfuerzos cíclicos. El daño por fretting ocurre en aquellas zonas de contacto donde ocurren pequeños deslizamientos
Fatiga superficial
Sistemas donde predomina el mecanismo de Fatiga superficial
Fatiga superficial
Imagen SEM mostrando fractura por fatiga en un punzón de acero de herramientas (AISI D1) utilizado para cortar lámina de acero inoxidable de 1 mm. de espesor
Reacción Triboquímica Sistemas donde predomina el mecanismo de reacción triboquímica
Reacción Triboquímica Material Material del del sustrato sustrato Remoción Remoción de de capas capas
Cinética de de Cinética Formación Formación de capas capas de
VARIABLES
Adhesión de de Adhesión las capas capas las
Cargas Cargas presentes presentes
Fractura: Relación capa sustrato