Apuntes Tribologia 2016

8/19/2019 Apuntes Tribologia 2016

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UNIVERSIDAD NACIONALAUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORESARAGÓN

CENTRO TECNOLÓGICO ARAGÓN

“Apuntes Tribología”

Programa de Apoyo a Proyectos para laInnovación y Mejoramiento de la Enseñanza,

PAPIME PE100614, UNAM.

Dr. Javier Jiménez García

México, 2016


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“Agradecimientos”

Agradecemos al Programa de Apoyo a Proyectos para laInnovación y Mejoramiento de la Enseñanza, PAPIME

PE100614, UNAM, por el financiamiento y apoyo brindado

para la realización de estos apuntes.

México, 2016


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ndice Página

Introducción 1

I. Fricción 4

I.1 Teorías de fricción 8

I.2 Coeficientes de fricción 9

I.3 Las hipótesis de la fricción seca 16

I.4 Factor de desgaste 21

I.5 Análisis de superficies, rugosidad y área real de contacto 31

I.5.1 Conceptos básicos 34

I.5.2 Parámetros 36I.5.3 Indicadores 39

I.5.4 Métodos de medición 42

I.5.5 Norma Din 140 46

II. Desgaste 47

II.1 Procesos de desgaste 48

II.2 Mecanismos de desgaste 50

II.2.1 Desgaste por abrasión 51

II.2.2 Desgaste por adhesión 55

II.2.3 Desgaste por contacto eléctrico, mecánico y térmico 57

II.2.4 Desgaste por delaminación 58

II.2.5 Desgaste por descamación 59

II.2.6 Desgaste por deslizamiento 60

II.2.7 Desgaste por fatiga superficial 64

II.2.8 Desgaste por oxidación o desgaste triboquímico 68

II.2.9 Desgaste por picado 70

II.2.10 Desgaste térmico 71

II.2.11 Desgaste por cavitación 71

II.3 Pruebas de fricción y desgaste 72


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II.3.1 Pruebas geométricas típicas 72

II.3.1.1 Espiga sobre un disco (carga superficial) 74

II.3.1.2 Espiga sobre una placa 75

II.3.1.3 Espiga sobre un cilindro (cargado por la orilla) 75

II.3.1.4 Pieza de sujeción-empuje (carga superficial) 76

II.3.1.5 Probetas dentro de dados 76

II.3.1.6 Placas rectangulares sobre un cilindro en rotación 77

II.3.1.7 Cilindros cruzados 77

II.3.1.8 Aparato de prueba de cuatro esferas 78

II.3.1.9 Pruebas por abrasión 79

II.3.1.9.1 Prueba de abrasión Taber 79

II.3.1.9.2 Prueba abrasiva por banda 80II.3.1.9.3 Prueba de abrasión en seco 80

II.3.1.9.4 Prueba de abrasión por arena húmeda 81

II.3.1.10 Pruebas por fatiga 81

II.3.1.11 Prueba de disco sobre disco 82

II.3.1.12 Rotación en cuatro esferas 82

II.3.1.13 Elemento de rolado sobre la placa 83

II.3.2 Normas ASTM 84

III. Lubricación y película lubricante 86

III.1 Fabricación de lubricantes 89

III.1.1 Aditivos lubricantes 89

III.1.2 Antioxidantes 90

III.1.3 Anticorrosivos 90

III.1.4 Antiherrumbe 91

III.1.5 Dispersantes 91

III.1.5 Antiespumantes 92

III.2 Clasificación de películas lubricantes 93

III.2.1 Película fluida 93

III.2.2 Película delgada 96

III.2.3 Película sólida 96


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III.3 Tensión superficial, hidrostática e hidrodinámica 97

III.3.1 Lubricación hidrostática 97

III.3.2 Lubricación hidrodinámica 98

III.4 Viscosidad 102

III.4.1 Clasificación ISO para aceites industriales 105

III.4.2 Clasificación AGMA para aceites para engranajes 106

III.4.3 Clasificación SAE para aceites de motor 107

III.4.4 Clasificación SAE para lubricantes de transmisiones

…………… manuales y diferenciales.

108

III.4.5 Clasificación API 109

III.4.6 Clasificación DIN 51519 113

III.5 Mantenimiento predictivo, proactivo, correctivo y preventivo 115III.6 Correlación entre análisis de aceite y condición de equipo 117

III.6.1 Propiedades de los lubricantes 118

III.6.2 Sistemas de lubricación 123

III.7 Almacén y manejo de lubricantes 126

IV. Triboecología 128

IV.1 Legislación ambiental 128

IV.2 Contaminación ambiental 129

IV.3 Composición y clasificación de los aceites usados 135

IV.4 Contaminación del aire 137

IV.5 Contaminación del agua 138

IV.6 Contaminación del suelo 139

IV.6.1 Peligros que encierra el aceite usado 139

IV.7 Lubricantes ecológicos 142

IV.7.1 Lubricantes biodegradables 145

IV.8 Grasas lubricantes ecológicas 146

IV.8.1 Alternativa a los espesantes metálicos contaminantes 147

IV.8.2 Aceite de cadenilla BIOLUBE 148

IV.9 Pruebas de Laboratorio 149

http://www.monografias.com/trabajos6/maca/maca.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/maca/maca.shtml


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Bibliografía 151


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Introducción

La tribología es un campo de investigación y de aplicación, relativamente nuevo,

poco conocida por los no especialistas, que implica una interdisciplinaridad estrecha

entre físicos, químicos, hidrodinámicos y sobre todo ingenieros, teniendo un

desarrollo considerable en el transcurso de las últimas décadas.

Desarrollo que se ha visto impulsado por la complejidad y la creciente sofisticación

de la ingeniería de los sistemas utilizados en múltiples sectores (transporte, espacio,

robótica, tecnologías médicas), obligando así a los involucrados a centrar sus

investigaciones en mejorar el comportamiento tribológico de los materiales, ya que

son especialmente importantes en términos de seguridad, fiabilidad consecuentesy sobre todo para el ahorro de energía.

Así, en la actualidad se estudia y analiza tanto la resistencia que presentan los

diferentes tipos de materiales con base en la fricción y el desgaste resultante por su

interacción, así como la optimización de los rendimientos de la transmisión de

potencia por los sistemas mecánicos y la lubricación compleja e indispensable que

necesitan, constituyendo así a la tribología como una disciplina científica y

tecnológica especializada.

Por otro lado, los avances de la tribología se deben igualmente a la emergencia de

herramientas tecnológicas cada vez más especializados en su análisis y a la

manipulación de la materia, como son: la deposición de las películas finas, la

formulación de los lubricantes, espectrografía, plasmas de alta energía, entre otros.

Es importante mencionar que la Tribología es una ciencia, rama de la mecánica

clásica, que estudia la relación entre fenómenos de desgaste, fricción y lubricación

y de cómo estos interactúan en beneficio o en contra del correcto funcionamiento

de los equipos y componentes de maquinarias.


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Sin duda alguna, en la interacción entre dos superficies aparecen diversos

fenómenos cuyo conocimiento es de vital importancia. El primero de ellos, la

fricción, que proviene de la existencia de fuerzas tangenciales que aparecen entre

dos superficies sólidas en contacto cuando permanecen unidas por la existencia de

esfuerzos normales a las mismas. El segundo, desgaste, es la desaparición de

material de la superficie de un cuerpo como consecuencia de la interacción con otro

cuerpo y el tercero, la lubricación, que son las sustancias aplicadas a las superficies

de rodadura, deslizamiento o contacto de las máquinas para reducir el rozamiento

entre las partes móviles.

Cabe destacar que estos tres fenómenos están siendo ampliamente están siendo

estudiados por las comunidades científicas mundiales, ya que con base en estudiosrecientes, las pérdidas económicas que sufre un país industrializado poro

problemas tribológicos y a la corrosión de los materiales, alcanzan el 4.5% del

Producto Nacional Bruto.

Asimismo en el campo energético, se estima que en EE.UU. un 11% de la energía

total consumida en cuatro grandes sectores: transportes, turbomáquinas,

generadores de potencia y proceso industriales, pueden ser ahorrados

introduciendo avances tribológicos.

Es importante destacar que el estudio tribológico de materiales, no solo contribuye

a reducir las grandes pérdidas económicas que se presentan en los sectores

automotriz, aeroespacial y en general en los constructores de maquinaria, sino que

también permitirá salvaguardar el medio ambiente, ya que al utilizar materiales más

confiables y duraderos se reducirá el consumo de materias primas y la utilización

de lubricantes altamente contaminantes, que se descargan al medio ambiente

ocasionando un daño ecológico irreversible.

Asimismo, la tribología permite considerar aspectos fundamentales como: las

propiedades de diseño, las características de los materiales de las superficies en


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contacto, el análisis y los sistemas de aplicación del lubricante, el medio circundante

y las condiciones de operación. Impacta prácticamente en todas las piezas en

movimiento como: ejes, árboles y elementos de fijación, rodamientos, engranes,

cojinetes, sellos, anillos de pistones, embragues, frenos, cadenas y levas.

Ayuda a resolver problemas de sustitución y remoción de maquinaria, equipos y

procesos industriales, tales como: motores eléctricos y de combustión interna

(componentes y funcionamiento), turbinas, compresores, extrusión, rolado,

fundición, forja, procesos de corte (herramientas y fluidos), elementos de

almacenamiento magnético y hasta prótesis articulares (cuerpo humano).

Por otro lado, permite incentivar el mantenimiento industrial como una actividadsecundaria en el sistema de producción, facilitando un cambio de hábitos, a través

de la implementación de sistemas de monitoreo y auditoría, para la fijación de

estándares y comparación, que garantizan que los procesos industriales funcionen

sin problemas, mediante la detección de desvíos y la toma de decisiones basadas

en el conocimiento, lo que sin duda conlleva a un incremento en la calidad y

productividad, ya que todo ello resulta en la disminución de incidentes y de

rechazos.

Debido a que la tribología es una ciencia capaz de analizar problemas que

involucran fenómenos trascendentales como son: fricción, desgaste y lubricación,

mediante el estudio de la interacción de superficies en movimiento, para coadyuvar

en la evolución y confiabilidad de los mecanismos, el impacto económico,

materiales, el diseño del equipo y planta, el mantenimiento y dentro de él la

lubricación, en los capítulos siguientes se describirán cada uno de éstos fenómenos.


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I. Fricción

La fricción es una fuerza resistente que actúa sobre un cuerpo, que impide o retarda

el deslizamiento del cuerpo respecto a otro cuerpo o superficie con que este en

contacto. Esta fuerza siempre actúa tangencialmente a la superficie en los puntos

de contacto con otros cuerpos, y tiene un sentido tal que se opone al movimiento

posible, existente del cuerpo respecto a estos puntos. Por ello, la fricción es una

fuerza tangencial, paralela a las superficies que están en contacto.

Existen dos tipos de fuerza de fricción: estática y dinámica o de movimiento.

La fricción estática ocurre entre las superficies en contacto de cuerpos rígidoscuando su resistencia impide el movimiento del uno respecto al otro; si los dos

cuerpos se mueven relativamente, la resistencia de fricción se llama fricción

dinámica o de deslizamiento.

Cuando dos superficies están en contacto, y deslizan una sobre otra, siempre

aparecen fuerzas tangenciales, llamadas fuerzas de rozamiento. La fricción genera

una resistencia al movimiento y el área real de contacto es mayor. Por otra parte,

cuando se aplican fuerzas lo suficientemente grandes, estas fuerzas de rozamiento

son de magnitud limitada y no impiden el movimiento.

La fuerza de fricción estática es en cualquier situación un poco mayor que la fricción

dinámica, ya que se requiere aplicar más fuerza para lograr que un cuerpo inicie su

movimiento que la necesaria para que lo conserve después a velocidad constante.

El propio Coulomb en 1781 demostró que la fricción estática es mayor a la cinética

y que prácticamente la fricción dinámica es independiente de la velocidad, figura 1.


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Figura 1. Dependencia de la fuerza de fricción F respecto de la velocidad de

desplazamiento v.

Es importante destacar que la fuerza de fricción se manifiesta en nuestra vida diaria

prácticamente en todo momento; cuando nos desplazamos de un lugar a otro, ya

que sin la fricción de los zapatos contra el suelo nos resbalaríamos, en el frenado y

la aceleración de un vehículo, al pulir metales para abrillantarlos, al evitar que las

gotas de lluvia no sean mortales, ya que la fricción del aire les confiere una velocidad

terminal (velocidad límite), en la transmisión de movimiento por medio de sistemas

de engranajes, etcétera.

Sin embargo, la fricción no siempre está ofreciéndonos ventajas, por ejemplo, es

muy común observar en cuadros de paisajes antiguos, libros e incluso en películasactuales, la imagen de una locomotora, como se muestra a continuación, figura 2.

Figura 2. Locomotora diésel (motor de combustión interna).


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Como nos podemos percatar, en primer lugar no existe ningún asombro, ya que

estamos tan acostumbrados a estas imágenes, que ya forman parte del paisaje

cotidiano y segundo que hay un desconocimiento de que el humo que emana del

tren es debido a graves problemas tribológicos.

Si, la presencia de humo negro, en los grandes motores diésel, es una falla

generalizada en el sistema de inyección, que genera un desgaste acelerado del

motor por dilución y contaminación con carbón, teniendo en casos extremos

corrosión por presencia de agua.

Daños provocados por la fricción, el calentamiento (dilatación) y el subsecuente

desgaste de las piezas, que reducen la eficiencia del motor. Lo que además,repercute en un elevado consumo de combustible diésel.

Cabe mencionar que dos terceras partes de la producción mundial de acero se

pierden totalmente por fricción y corrosión.

Por otro lado, está la capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento,

denominado efecto triboeléctrico. Cuyos efectos negativos provocados por la

acumulación de cargas electrostáticas, pueden ir desde la incomodidad que se

experimenta al recibir una descarga en la punta de los dedos, hasta las dramáticas

consecuencias, que pueden originar posibles incendios y/o explosiones en

instalaciones, que no cuentan con la seguridad industrial adecuada para este tipo

de riesgo. Afectando a la productividad de las líneas de fabricación y a la calidad de

los productos terminados, que es de gran importancia económica para las

empresas.


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Es importante destacar que dicho fenómeno se presenta, tanto en pequeños

componentes de circuitos electrónicos, que se dañan fácilmente con la electricidad

estática, lo que ha obligado a los fabricantes a utilizar una serie de dispositivos

antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños, así como en trenes

que utilizan gasolinas, ya que al frenar el rozamiento genera chispas, es decir,

electricidad estática y esto puede provocar una explosión.


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l.1 Teorías de fricción

Las leyes clásicas de la fricción fueron formuladas por Amontons y Coulomb en l78l,

expresando sus propiedades elementales en tres leyes empíricas:

1. Primera ley de Amontons: La fuerza de fricción es directamente proporcional

a la carga aplicada.

2. Segunda ley de Amontons: La fuerza de fricción es independiente del área

aparente de contacto.

3. Ley de fricción de Coulomb: La fricción cinética es independiente de la

velocidad de deslizamiento.

En ellas se establece que el coeficiente de fricción entre superficies planas, limpias

y secas es independiente de la carga aplicada, la velocidad y el área de contacto.

Considerando dos regímenes, la fricción estática, entre las superficies que no se

mueven, y la fricción cinética entre superficies móviles. Destacando que la fricción

en seco resiste el movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto,

siempre y cuando entre las superficies de contacto entre los cuerpos no exista la

presencia de un fluido lubricante.

Sin embargo, a menudo en el proceso del trabajo de los metales, el área de contacto

entre la herramienta y la pieza de trabajo está sujeta a muy altas presiones y

temperaturas. Bajo estas condiciones las leyes clásicas de la fricción no son

aplicables.


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I.2 Coeficientes de fricción

Con objeto de comparar las propiedades de fricción de partes de distintos

materiales, en diferentes condiciones de sus superficies de contacto y con el objeto

de calcular la fuerza máxima de fricción correspondiente a una presión normal

cualquiera, se utiliza una cierta constante experimental a la que se da el nombre de

coeficiente de rozamiento o de fricción.

El coeficiente de fricción estática de dos superficies cualesquiera se define como la

razón de fricción limite a la presión normal correspondiente. Así, µs es el coeficiente

de fricción estática que se expresa de la siguiente manera, ecuación 1:

µs = Fs … (1)

N

Donde:

Fs= Fuerza de fricción estática [Newton]

N = Carga normal [Newton]

µs= Coeficiente de fricción estática [adimensional]

Por definición, el coeficiente de fricción estático es la relación entre la fuerza de fricción

estática y la normal. Como se observa, es adimensional, ya que es el resultado de dividir

dos fuerzas.

De la ecuación (1), se deduce que la fuerza máxima de fricción que dos superficies

cualesquiera puede desarrollar es igual a µsN, ecuación 2:

Fs = µsN … (2)


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Al aplicar una fuerza F que aumenta gradualmente, el bloque permanece en reposo.

Como en este caso la aceleración es cero, la fuerza F aplicada es igual y opuesta a

la fuerza de fricción estática , ejercida por la superficie, figura 3.

Figura 3. Bloque en reposo.

Por ello, la máxima fuerza de fricción estática á, corresponde al instante en que

el bloque está a punto de deslizar.

Cabe mencionar, que si le colocamos al bloque una pesa encima, cuyo valor sea

igual al peso del bloque, el valor de la normal (N) sería igual al peso del bloque más

el de la pesa. Por ello, podemos concluir que la fuerza máxima estática es

directamente proporcional a la fuerza normal (N) que tiende a mantener unidas

ambas superficies debido al peso.


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11

En el caso particular de un objeto en reposo sobre un plano inclinado, como se

muestra a continuación, figura 4.

Figura 4. Objeto en reposo sobre un plano inclinado.

De acuerdo al diagrama de fuerzas, sobre este cuerpo actúan tres fuerzas: La

normal , el peso y la fuerza de fricción estática .

Obteniendo el diagrama de cuerpo libre, figura 5.

Figura 5. Diagrama de cuerpo libre.

Dado que el objeto está en reposo, a partir del diagrama de fuerzas se encuentran

las ecuaciones 3 y 4:

∑ = − = 0 … (3)

∑ = − = 0 … (4)


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Si se incrementa el ángulo de inclinación gradualmente, hasta que el valor , ángulo

al cual el objeto está a punto de iniciar su movimiento, la fuerza de fricción estática

alcanza su valor máximo dado por la ecuación.

Despejando la fricción y la normal, tenemos, ecuación 5 y 6:

máx = … (5)

= cos … (6)

Sustituyendo en la ecuación 1, obtenemos la ecuación 7:

=

=

= tan … (7)

Así, la ecuación resultante, permite determinar el coeficiente de fricción estática

entre dos materiales en contacto.

Si un cuerpo desliza con una velocidad constante experimenta una fuerza derozamiento llamada fuerza de rozamiento dinámico.

Si la velocidad con la que se mueve el cuerpo es constante, entonces la fuerza de

rozamiento dinámico es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza

normal resultante, ecuación 3, esto se expresa matemáticamente como:

Fk= µkN … (8)

Donde:

Fk= Fuerza de fricción dinámica [Newton]

N= Carga normal [Newton]

µk= Coeficiente de fricción dinámica [Adimensional]


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13

Al despejar tenemos la ecuación 9:

=

… (9)

Por definición, el coeficiente de fricción dinámico es la relación entre la fuerza de

fricción dinámica y la fuerza normal que tiende a mantener unidas dos superficies.

En el caso particular de un cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal,

figura 6, deben considerarse las siguientes fuerzas:

F: Fuerza aplicada

Fr : Fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que

se opone al deslizamiento

P: Peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la

gravedad

N: Fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo

Figura 6. Cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal.


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Como equilibrio dinámico, se puede establecer que:

P = N

Como la aceleración que recibe el cuerpo se debe a la fuerza resultante FR, queactúa sobre él y cuyo valor es, ecuación 10:

FR = F – Fr … (10)

Sabiendo que:

=

=

P = N = mg

Prescindiendo de los signos para tener en cuenta solo las magnitudes, se puede

reescribir la segunda ecuación de equilibrio dinámico como, ecuación 11:

= + … (11)

De donde se deduce, ecuación 12:

=

− … (12)

Es decir, la fuerza de empuje aplicada sobre el cuerpo, es igual a la fuerza resultante

FR menos la fuerza de rozamiento Fd que el cuerpo opone a ser acelerado.

https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_resultantehttps://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_resultante


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Es importante mencionar que si pudiéramos cambiar la superficie por la que desliza

el bloque, colocando una placa de acrílico, teflón madera, vidrio, tela o una placa

metálica. Observaremos que la fricción depende del grado de rugosidad de la

superficie.

En la tabla 1 se muestran valores típicos de µs y µk, se aprecia que µs es mayor.

Habrá que notar que µs y µk carecen de dimensiones, y que pueden variar, ya que

dependen solamente de las características de las superficies en contacto.

Materiales en contacto Fricción

Estática

Fricción

Dinámica

Acero / Fundición 0.30 0.18

Acero / Acero 0.17 0.10

Acero / Cobre 0.22 0.10

Acero / Latón 0.19 0.15

Acero / Vidrio 0.19 0.08

Acero / Fibra 0.14 0.12

Acero / Nylon 0.12 0.08

Acero / Teflón 0.09 0.04

Acero / Hielo 0.09 0.028

Acero / Grafito 0.12 0.08

Articulaciones humanas 0.02 0.003

Teflón / Teflón 0.04 0.4

Madera / Madera 0.7 0.4

Vidrio / Vidrio 0.9 0.4

Vidrio / Madera 0.25 0.2

Fundición / Fundición 0.18 0.16

Cobre / Grafito 0.14 0.10

Tabla 1. Valores de los coeficientes de fricción estáticos (µs) y dinámicos (µk).


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I.3 La hipótesis de fricción seca

Todavía no existe una teoría completa y total de la fricción seca que pueda explicar

todos los fenómenos que aparecen durante este proceso.

Existen tres grupos de estas teorías pero ninguno considera la dependencia del

coeficiente de fricción µ en cualquiera de las condiciones de contacto; cada una

explica parcialmente los procesos de fricción y son útiles en algunos cálculos con

ciertas condiciones de contacto:

I. Hipótesis mecánicasII. Hipótesis moleculares

III. Hipótesis mecánicas- moleculares

Dentro del primer grupo se encuentran las siguientes:

1. Hipótesis de Amontons: F = µN

2. Hipótesis de Coulomb: F = A+ µN

3. Hipótesis de Bowden: λc / P

Donde:

F = Fuerza de fricción

N = Carga normal

µ = Coeficiente de fricción

A = Área de contacto entre ambas superficies

λc = Resistencia al corte de acoplamientos metálicos de rugosidades de ambassuperficies

P = Presión o resistencia del metal de menor fuerza


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La hipótesis de Coulomb se basa en que el frotamiento es debido a una

interpenetración de las asperezas de las superficies de contacto, por lo tanto, cuanto

más irregular es la superficie, mayor es el frotamiento y viceversa. Esta explicación

se emplea para superficies relativamente irregulares, cuando existen dos

superficies rectificadas ya que se presenta la adhesión, la que es aplicable por las

teorías moleculares.

En consecuencia, la adhesión molecular contribuye a crear el frotamiento entre dos

superficies deslizantes. En el caso de que la separación entre las superficies es muy

pequeña, las fuerzas moleculares dan lugar a una fuerte adhesión que se opone al

deslizamiento. En el caso extremo de superficies muy limpias producen soldadura

por fricción. En la figura 7, se presenta una gráfica que relaciona el acabadosuperficial con el frotamiento.

Figura 7. Relación cualitativa entre la irregularidad superficial y el coeficiente de

frotamiento.


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A pesar de que la hipótesis de Amontons se aplica hasta ahora en los cálculos de

ingeniería, las hipótesis moleculares se prefieren en elementos rectificados. Las

hipótesis moleculares son:

1. Hipótesis de Tomlinson: µ = (k* E)/(n*p*x)

2. Hipótesis de Diariagin: F = µ (N+No)

Donde:

k = Número de parejas moleculares en contacto durante el

desplazamiento

E = Energía de rompimiento de las parejas moleculares

n = Número total de parejas moleculares en contactoP = Fuerza de repulsión entre moléculas, en cada pareja molecular

x = Cambio de desplazamiento

No = Carga normal equivalente a las fuerzas de atracción molecular.

N = Carga Normal


La expresión más sencilla es la de Diariagin, se expresa en la ecuación 3 pero el

problema es determinar la fuerza equivalente No, que puede ser del orden de N en

cargas normales pequeñas, entonces:

No = Po*Ar … (13)

Donde:

Po = Fuerza de atracción molecular, en [N/mm2]

Ar = Área real de contacto, en [mm2]


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La primera hipótesis molecular se explica por la teoría de la atracción molecular de

Tomlinson o de frotamiento cohesivo. Aquí Tomlinson supuso que el frotamiento

seco es el resultado del contacto molecular entre las superficies en contacto y

relacionó el coeficiente de frotamiento seco con las propiedades elásticas de los

materiales.

Esta relación se basó partiendo del análisis de Hertz, que supone un modelo con

moléculas esféricas, tomando en cuenta el área de contacto de los cuerpos elásticos

en función de la carga.

La teoría determina que entre las moléculas actúan fuerzas de atracción y repulsión.

Esta teoría reconoce que el campo de atracción molecular se extiendeprobablemente a lo largo de una distancia equivalente a varios diámetros, a partir

del centro de la molécula y, que también existe una fuerza de repulsión que actúa

en forma más restringida.

A esto se debe que dos cuerpos choquen, vibren y se deslicen produciendo una

pérdida de energía que se transmite como calor.

Esta teoría defiende que el coeficiente de fricción f debería relacionarse con las

constantes de los materiales.

Por lo tanto: f = 1.07+10-4 (Ө1* Ө11) 2/3

Donde:

Ө = (3E*4G)/ [G (3E*G)]

E = Módulo de YoungG = Módulo de cizallamiento


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Basándose sobre las hipótesis mecánicas y moleculares Kragelski formo su propia

hipótesis de fricción llamada Hipótesis molecular- mecánica, ecuaciones 14 y 15,

teniendo en cuenta que α= F/N.

µ = α(Ar/N) + β ... (14)

F = α Ar +βN ... (15)

Donde α y β son coeficientes que dependen de las propiedades moleculares y

mecánicas de los materiales en contacto, α [N/mm2] + β.

Por medio de un análisis matemático muy aproximado, se puede relacionar el factor

de fricción y el factor de desgaste de los distintos metales, en el caso, de desgaste

por deslizamiento.

Este se basa en la teoría de la delaminación del desgaste; se determina

empíricamente el campo de deformación plástica cerca de la superficie, al comienzo

de la delaminación de la capa de desgaste, tomando en cuenta el efecto del

ablandamiento cíclico, que a continuación se describe.


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I.4 Factor de desgaste

Según las condiciones de carga, la deformación plástica varía de un metal a otro.

Medidas experimentales hechas por Augustsson, usando la técnica de Dautzenberg

y Zaat, en el análisis de casos no lubricados, en donde la primera etapa de desgaste

consiste en una deformación plástica de asperezas y posteriormente el traslado de

las asperezas deformadas por un proceso de fatiga, muestran que el gradiente de

deformación plástica en un acero, es una combinación de una función empírica

lineal y otra exponencial.

La deformación plástica permanente εP (campo de deformación), en un acero

endurecido AISI 1020 bajo un proceso de desgaste por delaminación (ecuaciones16 y 17) fue el siguiente:

εP = ε0 -αx = 16.5 - 2.2x

εP = ε1xβ = 44x -1.26

Para o ≤ x ≤ xc ... (16)

Para x ≥ xc ... (17)

Donde x es la perpendicular a la superficie figura 8.

Figura 8. Representación esquemática de la sección transversal de una

superficie desgastada y con deformación plástica.


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La profundidad a la cual ambas funciones tienen que ser evaluadas, se muestra en

la ecuación 18, cabe mencionar que da la misma pendiente:

Xc= [(β ε1)/ α] 1/(1+β) = [(1.26 /* 44)/2.2] 1/ 2.26

=4.17 (mm) … (18)

Cuando en el proceso de desgaste se utilizan cargas el metal sufre ablandamientos

y endurecimientos. Si cada ciclo es la aplicación de la carga correspondiente, la

deformación plástica permanente εP (campo de deformación), ecuación 19.

… (19)

Donde:

ΔεP = Deformación plástica generada durante cada ciclo

Nf = Número total de ciclos

Para relacionar el trabajo plástico con la deformación permanente εP y la carga, se

debe analizar el trabajo que se realiza para cada ciclo, sumándole el total de la

carga aplicada, ecuación 20.

... (20)

Donde:

b = Ángulo promedio de la capa de desgaste

1 = Longitud promedio de la capa de desgaste

σ = Esfuerzo equivalente en tensión y compresión

ε1 = Deformación total equivalente que sufre el material

Nf = Número total de ciclos


29/159

23

Como los valores σ y ε1 son funciones de la profundidad x.

Así, la deformación total equivalente ε1 no es lo mismo que la deformación

permanente generada ∆1 por ciclo. Sin embargo, no se dispone de una solución

para ε1 y ∆1 .

Un problema similar fue investigado por Merwin y Johnson, para un contacto con

rodadura considerando sólo el efecto del esfuerzo normal. Ellos analizaron el

material por debajo de la capa superficial, observando la deformación plástica y la

acumulación de energía cuando se excede el valor crítico de la carga normal.

En el trabajo en frio, los materiales sufren habitualmente un ciclo de ablandamientoy endurecimiento. Así, para cada ciclo de carga hay una deformación permanente

residual ∆1 mucho más pequeña que la amplitud máxima de deformación ε1 de

cada ciclo, como se ilustra en la figura 4. Con cada ablandamiento cíclico, aumenta

con la repetición de la carga, ∆1 disminuye con cada ciclo de endurecimiento del

material, figura 9.

Figura 9. Trayectoria de la carga cíclica de un metal en un diagrama esfuerzo

deformación; el ciclo 1-ésimo se ve por la línea continua.


30/159

24

Conforme nos alejamos de la superficie las condiciones del esfuerzo de tensión y

compresión van cambiando; una carga concentrada cerca de la superficie

experimenta un esfuerzo de tensión-compresión, mientras que debajo de la

superficie solo se experimenta una carga de compresión debido al esfuerzo residual.

Una posible trayectoria está dada en la figura 9, la cual esta dibujada en términos

de la resultante del esfuerzo cortante máximo τ y el esfuerzo cortante ɣ. Se puede

apreciar que σ y ε siempre permanecen positivos por definición y que el valor

absoluto de τ y ɣ son aproximadamente igual σ/2 y ε/2 respectivamente.

Como una primera aproximación al problema, ecuación 21, se puede suponer que:

σ = σ0 = constante … (21)

Sustituyendo (21) en la ecuación (20) tenemos la ecuación 22:

… (22)

Definiendo la deformación total equivalente ε1 y la deformación neta por ciclo

∆1 en función del radio m1, ecuación 23.

… (23)


31/159

25

Y en la primera aproximación podemos hacer m1 igual a una constante,

independiente de x. Sustituyendo (23) en (22), ecuación 24.

… (24)

Usando la ecuación (24) en la ecuación (22) obtenemos la ecuación 25.

... (25)

Después del desgaste superficial el espesor δ sufre un desgaste por delaminación,

entonces el trabajo adicional ΔWP, ecuación 26, necesario para la delaminación de

la siguiente capa es.

... (26)

Si δ < Xc se obtiene la ecuación 27.

... (27)


32/159

26

Si δ > Xc se obtiene la ecuación 28.

... (28)

Cuando el trabajo de fricción Wc se realiza por un agente externo (por ejemplo una

guía o una corredera) se provoca un cambio en la capa desgastada, modificando

sus dimensiones (δbl), ecuación 29.

... (29)

Donde:

n = Capas de desgasteS0 = Distancia que tiene que deslizar un material para que cree n capas de

desgaste


L = Carga normal

Debido a la delaminación se crea una nueva superficie y para ello se utiliza alguno

de los trabajos producidos durante la delaminación de la capa superficial. Esta

energía superficial es de un orden de magnitud de una o dos veces que el trabajo

consumido en la deformación plástica.


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27

Sustituyendo la ecuación (29) en la ecuación (28) o (27) obtenemos la ecuación 30.

Si δ < Xc ... (30)

… (31)

Las ecuaciones (30) y (31) se pueden como la ecuación 32 y 33 respectivamente.

Si δ < Xc ... (32)

Si δ > Xc ... (33)

Donde:

(nbl δ) = V es el volumen del material desgastado


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28

Usando la definición del factor de desgaste K, que es válido durante el estado

estable de los procesos de desgaste, ecuación 34.

K= (V/LS0) … (34)

Donde:

K = Factor de desgaste

V = Volumen

L = Carga

So = Distancia de deslizamiento

Con las ecuaciones (32) y (33) se obtienen las ecuaciones 35 y 36 respectivamente.

… (35)

… (36)

Se puede ver que (µ/K) están en función de las propiedades del material.


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29

Es importante mencionar que durante varias décadas se han realizado estudios

sobre el factor de desgaste, con el fin de describir matemáticamente este fenómeno,

observando que la modelación del desgaste es muy compleja debido a que

intervienen diferentes factores microscópicos como son: la rugosidad de la

superficie, la no homogeneidad de la superficie, la deformación elástica y plástica,

la relación esfuerzo - deformación y criterio de falla, los cuales se desprecian en la

mecánica clásica y deben ser considerados en la modelación.

Debido a estas situaciones, se siguen proponiendo diversos modelos físicos con la

finalidad de lograr una mejor interpretación del fenómeno del desgaste. Sin embargo

la mayoría de los autores concuerdan que en el proceso de desgaste se presenta

una curva típica de desgaste- tiempo, la cual consiste en tres tipos de regímenes:el régimen inicial, régimen estable de desgaste y régimen acelerado de desgaste,

figura 10.

Figura 10. Curva típica de desgaste respecto al tiempo.


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30

De la figura podemos observar que en un proceso de desgaste, el régimen inicial

obedece a una función de desgaste – tiempo que pertenece al tipo I. En este caso

el efecto de desgaste es benéfico en vez de ser nocivo puesto que las

características de la superficie del material son propicias para adaptarse a las

condiciones del proceso. Durante la etapa tipo II, se presenta un régimen estable.

En este caso la función desgaste – tiempo es lineal, pero el efecto de la carga normal

o de la dureza no siempre son una simple relación lineal.

La transición del régimen estable al régimen acelerado, se puede atribuir al cambio

de mecanismo de desgaste o bien al rompimiento de la capa de lubricación debido

al aumento de temperatura en la superficie hasta un valor crítico. Puesto que en el

tercer régimen el desgaste se incrementa más allá de un valor de desgaste críticodel equipo o de la maquinaria, se observa que en estos casos se presentan

cuarteaduras o ralladuras de la superficie.


37/159

31

I.5 Análisis de superficies, rugosidad y área real de contacto

Dentro del mundo de la tecnología, se observan gran cantidad de piezas que han

de ponerse en contacto con otras y rozarse a altas velocidades. Por ello el acabado

final y la textura de una superficie son de gran importancia e influencia para definir

al aspecto externo de una pieza o material, por lo que las irregularidades son un

factor importante.

Cabe destacar que las irregularidades en un material se dividen en dos grupos

importantes:

a) Macrogeométricas

Son las mayores irregularidades que se encuentran en los procesos de fabricación,

siendo los más característicos:

Se originan en las imperfecciones de los mecanismos entre las

máquinas y las herramientas.

Vibraciones del sistema pieza herramienta.

Desgaste de las herramientas.

Debido al proceso de fabricación (fundición, forja, laminación).

Cabe mencionar que estos errores se pueden medir con instrumentos

convencionales.


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32

b) Microgeométricos

Son las irregularidades menores que provocan la ondulación de las piezas durante

su fabricación y la rugosidad. Las principales causas de las irregularidades en

ambos casos son por:

b.1) Ondulación:

Flexión de la pieza durante el maquinado.

Falta de la homogeneidad del material.

Deformaciones por tratamiento térmico.

b.2) Rugosidad:

Depende del elemento utilizado para el maquinado.

Debido al material usado para el corte.

Por el tratamiento de rectificado.

Debido a ello la rugosidad se define como el conjunto de irregularidades que posee

una superficie, por lo tanto, la mayor o menor rugosidad de una superficie depende

del acabado superficial.

Es importante mencionar que una superficie perfecta es una abstracción

matemática, ya que cualquier superficie real por perfecta que parezca, presentará

irregularidades que se originan durante el proceso de fabricación.


39/159

33

Cabe mencionar que, la rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de

la superficie real, definidas convencionalmente en una sección donde los errores de

forma y las ondulaciones han sido eliminados, para comprender de una mejor

manera la rugosidad, figura 11, definiremos algunas características a continuación:

Figura 11. Características de la rugosidad.

Superficie real:

Superficie geométrica:

Perfil real:

Superficie que limita el cuerpo y lo separa del

medio que lo separa.

Superficie ideal cuya forma está especificada por

el dibujo y/o documento técnico.

Es la intersección de la superficie real con un plano

normal.


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34

I.5.1 Conceptos básicos

Los parámetros más importantes y característicos de la rugosidad, son los

siguientes:

Longitud básica → l :

Longitud de evaluación → ln :

Es la longitud, de la línea de referencia

utilizada para separar las

irregularidades que forman la rugosidad

superficial, figura 12-A.

Es la longitud, utilizada para determinar

los valores de los parámetros de

rugosidad superficial. Puede

comprender una o más longitudes

básicas, figura 12-A.

Línea media de mínimos cuadrados: Es la línea de referencia, cuya forma es

la del perfil geométrico. Divide el perfil

de modo que, en el interior de la

longitud básica, la suma de los

cuadrados de las desviaciones sea

mínima, figura 12-B.

Figura 12. A) Longitud básica y de evaluación B) Línea media de mínimos.


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35

Línea media aritmética: Esta referencia, es utilizada por la mayoría de las

normas, utilizan el concepto de línea media, y a

partir de esta línea es que se mide la rugosidad.Esta es la línea paralela a la dirección general del

perfil, de forma que la suma de las áreas

superiores, comprendidas entre la línea media y la

línea del perfil, son iguales a la suma de las áreas

inferiores, figura 13.

Figura 13. Línea media aritmética.


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36

B

A

I.5.2. Parámetros

Con respecto a la dirección de las alturas, definiremos los más importantes:

Altura de una cresta del perfil → : Es la distancia, entre la línea media y el

punto más alto de una cresta, figura 14-A.

Profundidad de valle del perfil → : Es la distancia, entre la línea media y el

punto más bajo de un valle, figura 14-A.

Altura de una irregularidad del perfil: Suma de la altura de una cresta y de la

profundidad de un valle adyacente, figura

14-A.

Altura máxima de una cresta → : Distancia del punto más alto del perfil a la

línea media, dentro de , figura 14-B.

Profundidad máxima del valle → Rm: Distancia del punto más bajo del perfil a la

línea media, dentro de , figura 14-B.

Altura máxima del perfil → Ry: Máxima distancia entre la cresta más alta

(Rp) y el valle más bajo (Rm), figura 14-B.

Figura 14. A) Altura de una irregularidad del perfil y componentes.

B) Altura máxima del perfil y componentes.


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37

A continuación mencionaremos los parámetros de rugosidad más importantes:

Desviación media del perfil → : Es la media aritmética de la suma de los valores

absolutos de las áreas encerradas entre el perfil

de rugosidad y la línea media, y se divide entre

la longitud de medición, figura 15.

Rugosidad Total o Máxima → : Es igual a la distancia entre el pico más alto y el

valle más profundo, figura 15.

Rugosidad Media → : Es el promedio de la rugosidad máxima de

cinco tramos de medición consecutivos, figura

15.

Figura 15. Parámetros de rugosidad más importantes Ra, Rt y Rz.

R

zR

a

R

t


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39

I.5.3 Indicadores

Para identificar las características de las superficies evaluadas, se emplean los

siguientes símbolos:

Símbolo básico: Este símbolo solamente puede utilizarse cuando su

significado se exprese mediante una nota, figura 16.

Figura 16. Línea media aritmética.

Superficie mecanizada: Este símbolo representa, que la superficie debe de

obtenerse por medio de procedimientos con

arranque de viruta, figura 17.

Figura 17. Arranque de viruta.

Superficie sin arranque de viruta: También puede utilizarse en dibujos de

fase de mecanizado, para indicar que la

superficie debe de quedar tal y como ha

sido obtenida, figura 18.

Figura 18. Representación sin arranque de viruta.


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40

Cuando se indican características con acabado superficial, figura 19.

Figura 19. Acabado superficial adicional.

Una vez conocidos los indicadores de rugosidad, es necesario saber que para

identificar el valor de Ra en cada uno de ellos se representa, de la siguiente manera,figura 20.

Figura 20. Indicador parámetro Ra.

Para dichos casos, el valor que se especifica es el máximo permitido de la rugosidad

de la superficie, y cuando es necesario, especificar limites máximo y mínimo de la

rugosidad, ambos valores se denotan como se muestra en la figura 21.

Figura 21. Límite máximo, Límite mínimo.


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41

Además, el símbolo característico, para cada material, con base a la norma ISO

1302-1978, las especificaciones del acabado superficial deberán colocarse como se

muestra en la figura 22.

Figura 22. Representación de los principales indicadores.

Donde:

a: Valor Ra de rugosidad en micrones, micro pulgadas o número de

grados de rugosidad N1 a N12.

b: Método de producción, tratamiento o recubrimiento.

c: Longitud de muestreo.

d: Dirección de marcado.

e: Cantidad que se removerá mediante maquinado.

f: Otros parámetros de rugosidad.


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42

I.5.4 Métodos de medición

Con la finalidad de poder indicar los valores de la rugosidad en diferentes

materiales, sujetos a diferentes procesos de conformado, existen diferentesmétodos cuantitativos (rugosímetro).

Los rugosímetros son instrumentos que se utilizan para medir y detectar el grado de

asperezas presentes en la superficie, logrando ejecutar la medición de la pieza,

generalmente en micras antes, durante y/o después del mecanizado, todo

dependiendo del proceso metalmecánico que la empresa realice.

Cabe mencionar que esta medición es necesaria para realizar mantenimiento de

tipo preventivo y/o predictivo en los procesos de manufactura; por ejemplo, para

verificar periódicamente la rugosidad de los moldes de inyección, ya que, como

consecuencia misma de la operación, el material de las matrices tiende a sufrir

cambios en la superficie.

Cabe destacar que el principio de operación de este instrumento es muy simple:

una fina punta o estilete, por lo regular de diamante o carburo de tungsteno, realizaun barrido en línea recta sobre la superficie del metal, a través de la cual analiza las

variaciones del material que luego son convertidas en señales eléctricas para ser

registradas o graficadas, figura 23.

Figura 23. Parámetros registrados gráficamente.


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43

Donde:

→ Tramo recorrido por el rugosímetro.

→ Tramo de medición individual.

→ Tramo inicial cuando el palpador se pone en marcha. → Tramo de medición por segmentos.

→ Tramo final del palpador.

Además existen diferentes tipos de rugosímetro, de los cuales mencionaremos los

más importantes.

a) Rugosímetro mecánico: Este equipo, se compone de un palpador, que se

desplaza automáticamente y realiza un recorrido

sobre la superficie de la pieza a analizar y un

amplificador que muestra o registra el estado

superficial, es decir, las irregularidades que

encuentra durante el muestreo, figura 24.

Figura 24. Principales componentes del rugosímetro.


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44

b) Rugosímetro inductivo: Este equipo consiste en el desplazamiento de la

aguja, describe las irregularidades del perfil,

modifica la longitud del entrehierro del circuito

magnético, y con ello el flujo del campo magnético

que lo atraviesa, generando así una señal eléctrica,

figura 25.

Figura 25. Rugosímetro de palpador inductivo.

c) Rugosímetro capacitivo:

Figura 26.

En este equipo, el desplazamiento vertical

del palpador aproxima las dos láminas deun condensador, modificando su capacidad

y con ella la señal eléctric

Rugosímetro de palpador capacitiv


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45

Figura 27. Rugosímetro de palpador piezoeléctrico.

d) Rugosímetro piezoeléctrico: En este instrumento el desplazamiento de la aguja

del palpador deforma elásticamente un material

piezoeléctrico, el cual responde a dicha deformación

y genera una señal eléctrica, de otro modo, cuando

el material entra en contacto con el palpador envía

una señal eléctrica o voltaje que luego es convertido

en un dato para indicar su grado de rugosidad, figura

27.


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46

I.5.5 Norma Din 140

Mediante esta norma se clasifican, las clases de rugosidad que pueden,

representarse de acuerdo a su aplicación como se muestra en la tabla 3.

Valor Ra Clases de

rugosidad

Apreciación visual

o táctil

Procedimiento de

fabricación

Aplicación

μ m

2000 50 N 12 Forja, fundición, corte

con soplete.

Bastidores de

máquinas agrícolas.

1000 25 N 11 Las marcas de

mecanizado se

aprecian con la vista

y con el tacto.

Forja, fundición y

oxicorte de calidad.

Maquinaria agrícola

en general.500 12.5 N 10

250 6.3 N 9 Lima, torno y

Fresadora.

Agujeros,

avellanados,

superficies no

funcionales, ajustes

fijos.

125 3.2 N 8

63 1.6 N 7 Las marcas de

mecanizado se

aprecian con la vista

pero no con el tacto.

Lima, torno y fresadora

con mayor precisión.

Ajustes duros, caras

de piezas para

referencia o apoyo.32 0.8 N 6

16 0.4 N 5 Las marcas de

mecanizado no se

aprecian ni con el

tacto ni con la vista.

Escariado, rectificado y

esmerilado.

Ajustes deslizantes,

correderas. Aparataje

de medida y control.8 0.2 N 4

4 0.1 N 3 La superficie es

especular.

Acabado final mediante

lápeado, bruñido o

rectificado de calidad.

Calibres y piezas

especiales de

precisión.

2 0.05 N 2

1 0.025 N 1

Tabla 3. Norma Din 140.


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47

II. Desgaste

El desgaste se define como “la pérdida progresiva del material de la superficie de

un cuerpo sólido debido a una acción mecánica” (DIN 50320). Generalmente las

superficies deberán estar en movimiento relativo, que puede ser rotación o

deslizamiento, o una combinación de éstas.

Cabe mencionar que el desgaste rara vez es catastrófico, más bien se refleja en

cambios dimensionales causando problemas como vibración y desalineamiento, lo

que repercute en una disminución de la eficiencia de las condiciones de operación.

Al presentarse el desprendimiento de pequeñas partículas debido al desgaste en

sistemas con claros y/o tolerancias pequeñas, éste puede representar mayorproblema que los cambios dimensionales de los componentes.

El desgate está presente desde los fenómenos naturales de la tierra como la lluvia

y viento, que ocasionan erosión, así como en elementos de máquinas e incluso en

las articulaciones del cuerpo humano.

Por otro lado, las pérdidas económicas debido al desgaste, se pueden reducir

optimizando el movimiento de los elementos mecánicos que están en contacto,

moderando el esfuerzo aplicado, haciendo una adecuada selección de materiales,

un buen manejo de la lubricación en función de la carga, temperatura y medio

ambiente.

Para una mejor interpretación del efecto del desgaste en los sistemas mecánicos, a

continuación se describirán los procesos de desgaste.


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48

II.1 Procesos de desgaste

Para poder analizar los procesos de desgaste tenemos que identificar en el sistema

tribológico o tribosistema los parámetros de interés. En los sistemas existe un

mecanismo diferente de desgaste que describe la intensidad, tipo de movimiento yla interacción del material entre los componentes del sistema. Un análisis de dichos

componentes permitirá comprender la relación entre transformación y/o transmisión

de entradas en salidas, como una técnica funcional de un tribosistema, figura 28.

Figura 28. Descripción funcional de un sistema tribológico.

El uso de entradas y salidas se puede clasificar en:

Movimiento

Trabajo (Mecánico, Hidráulico, Neumático, Químico, etcétera)

Materiales

Información


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49

Para analizar sistemas a partir de un conjunto de elementos mecánicos, se debe

englobar por una envolvente a los elementos que están en contacto tribológico y

describirlos en función de su estructura. En la figura 29 se observa la simplificación

general de un tribosistema.

Figura 29. Representación esquemática de los elementos de un

tribosistema.

Usualmente el sistema contiene cuatro elementos:

1. Cuerpo sólido

2. Cuerpo contrario

3. Elemento interfacial

4. Medio Ambiente

El cuerpo contrario puede ser un sólido, un líquido, un gas o una combinación de

estos.


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50

II.2 Mecanismos de desgaste

Con el objeto de establecer de manera específica los mecanismos que se presentan

en los diferentes procesos de desgaste, a continuación se muestran diferentes

clasificaciones de los procesos de desgaste, que varían de acuerdo a cada autor,que incluyen el estado físico del cuerpo contrario, la formación de viruta o las

partículas de desgaste, ángulo de acción, relación del elemento interfacial,

cinemática del sistema, la pérdida del material y/o el daño superficial, tabla 4.

Tabla 4. Clasificación de los procesos de desgaste por

mecanismos de desgaste.

AUTORES TIPOS DE DESGASTEBurwell y

Strang Abrasión AdhesiónCavitaciónCorrosión por contacto eléctrico, mecánico y térmico.

ErosiónFatiga de la superficieJahanmir Abrasión

AdhesiónCorrosión por contacto eléctrico, mecánico y térmicoDelaminaciónDifusiónFatiga de la superficie

Godfrey Abrasión AdhesiónCorrosión por contacto eléctrico, mecánico y térmicoDelaminaciónDifusiónElectrocorrosiónFatiga de la superficie

Rice Abrasión AdhesiónCorrosiónFatiga

DIN 50320 Abrasión AdhesiónFatiga de la superficieReacción triboquímica

Roman a) Casiestático Abrasión AdhesiónOxidaciónTérmico

b) Dinámico

Corrosión por contacto eléctrico, mecánico y térmicoDescamaciónFatiga del materialPicado


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Para su mejor interpretación, se discuten los mecanismos, fundamentos y modelos

que operan cada caso.

II.2.1 Desgaste por abrasión

La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa

resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas

contra una superficie y se mueven a lo largo de ella.

En el desgaste por abrasión el material se destruye cuando existe una gran

diferencia en la dureza superficial de los dos elementos en contacto, o cuando se

tiene la presencia de un medio abrasivo: (arena, polvo, restos metálicos, productos

del desgaste, etcétera).

EI desgaste por abrasión es causado por la presencia de protuberancias y partículas

duras, en una o en ambas superficies que están en movimiento relativo. Por

ejemplo, las partículas duras pueden ser sílice, alúmina, o fragmentos de desgaste

endurecidos por el mismo trabajo, mientras que las protuberancias pueden ser las

asperezas en el maquinado normal.

En este caso, el resultado de la dureza por el número relativo del desgaste para

metales es siempre constante, figura 30:

Drm * h = constante

Donde:

Drm = Desgaste relativo del metal

H = Dureza del mismo metal


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52

Figura 30. Dependencia de la dureza y la resistencia al desgaste abrasivo de

metales.

De acuerdo con Wahl, Wellinger y Vetz y Föhl, el desgaste abrasivo puede ser alto

o bajo nivel, dependiendo de la relación de la dureza del abrasivo y de la dureza

del material que se está desgastando.

La transición para materiales homogéneos se incrementa cuando la dureza de los

abrasivos, es igual a la dureza del material que está siendo desgastado, para

materiales no homogéneos la transición comienza y termina cuando la dureza de

la fase, exceden respectivamente la dureza del abrasivo, figura 31.

Figura 31. Desgaste abrasivo en función de la relación de la dureza de partículas

abrasivas y la dureza del material desgastado.


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53

El desgaste abrasivo se puede clasificar por la interacción de dos o tres cuerpos,

figura 32. En la abrasión entre dos cuerpos, las partículas abrasivas se mueven

libremente sobre el material, teniendo una mayor área de contacto, como arena que

cae por una rampa. En la abrasión de tres cuerpos, las partículas abrasivas actúan,

como elementos interfaciales entre los cuerpos sólidos en contacto, sin causar un

desgaste severo, debido a la variación del ángulo de ataque de las partículas.

Figura 32. Desgaste abrasivo ente dos y tres cuerpos.

En la figura 33, se observan claramente los microsurcos, microcortes y microgrietas,

de una superficie de acero desgastada por minerales abrasivos duros.

Figura 33. Fotografías de la interacción entre un material abrasivo y la superficie

de un acero (a) microsurcos, (b) microcortes y (c) microgrietas.


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54

Los microsurcos se crean debido al paso simple de una partícula abrasiva; los

microcortes resultan de la pérdida del material, equivalente al volumen del surco o

corte producido; las microgrietas ocurren cuando se concentran esfuerzos muy altos

de materiales frágiles. En este caso, las grandes cantidades de escombros

producidos por el desgaste son independientes de la superficie debido a la

formación y propagación de grietas, figura 34.

Figura 34. Interacción física entre superficies de materiales y partículas

abrasivas.

Los microsurcos y los microcortes predominan en materiales dúctiles, y el que

aparezca unas u otras, depende del ángulo de ataque de las partículas de desgaste.

Cuanto mayor sea el ángulo de ataque, será más factible que aparezca un

microcorte. EI ángulo de ataque α tiene un valor critico αc , que depende del material

y de las condiciones de la prueba. Teóricamente αc es el valor al cual se produce latransición de un microsurco a un microcorte, figura 35.

Las muescas o rayas de los materiales frágiles, producidos por las partículas

abrasivas, pueden ser causa de la formación y la propagación de grietas.


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55

Figura 35. Relación de microcorte/microsurco en función de los ángulos de

ataque α/αc.

Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando

una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por lapresencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar las

superficies en contacto deslizante.

II.2.2 Desgaste por adhesión

La adhesión se presenta cuando existe un deslizamiento relativo entre dos

superficies que se encuentran en contacto directo, provocando la formación de

uniones y posteriormente la ruptura de las mismas. Aparece a pequeñas

velocidades relativas hasta un máximo de 0.2 m/s y por la deformación en las áreas

reales de contacto, con la subsecuente formación de micropuentes y la destrucción

del material, figura 36.

Figura 36. Formación del micropuente y destrucción del mater ial durante el

desgaste por adhesión.


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56

La formación de las uniones por adhesión depende de las p r opiedades físicas y

químicas del material, valores de las cargas, rugosidad y el contacto entre los

materiales. Frecuentemente la unión es no metálica entre pares de metales, ya que

la superficie está cubierta por capas adsorbidas, o capas de óxido. La adhesión de

las superficies es causada inicialmente por un enlace débil de Van der Waals.

La capa adsorbida y la capa de óxido en el contacto superficial puede ser fracturada

directamente debido a la deformación elástica y plástica de las asperezas, la

adhesión en este caso es causada por un enlace metálico o covalente. Como la

fuerza de adhesión depende del área real de contacto, la resistencia de losmateriales a la deformación plástica y su estructura cristalina juega un papel

importante, Sikorski, observo un incremento de la adhesión en diversos metales,

relacionando la estructura cristalina con la dureza en cada uno de ellos, figura 37.

Figura 37. Relación del coeficiente de adhesión y la dureza de los materiales.


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57

Los modelos presentados por Derjaguin, Smilga, Czichos, Fer r ante y Smith

describen la influencia de la estructura electr ónica de los átomos en la adhesión que

experimentan las superficies metálicas en contacto con deslizamiento, basándose

en un modelo atómico, en el cual los átomos ceden o aceptan electrones de su

última capa, formando así un vínculo de adhesión.

A continuación se muestran los distintos mecanismos de adhesión que dependen

de las características superficiales de los cuerpos en contacto; limpieza, topografía,

carga, temperatura, condiciones ambientales, microestructura, etcétera, figura 38.

Figura 38. Mecanismos de adhesión.

Las piezas de maquinaria que pueden sufrir normalmente desgaste por adhesión,

son: engranajes, biela seguidor, dados de extrusión – alambre, rodamiento – apoyo

y herramientas de corte.

II.2.3 Desgaste por contacto eléctrico, mecánico y térmico

Este tipo de desgaste es un conjunto de fenómenos mecánicos, térmicos y

eléctricos que se presentan en las zonas de contacto de los elementos.


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58

El desgaste por contacto es una forma especial del desgaste triboquímico; es

causado, porque las superficies en contacto sufren pequeños movimientos

tangenciales oscilatorios relativos a cada pieza del tribosistema.

En componentes cargados cíclicamente puede volverse muy peligrosa, ya que se

inician grietas par fatiga en la superficie del material y las uniones apropiadas de

estos materiales pueden hacerse holgadas o muy ajustadas, por el escape o el

atrapamiento de las partículas a escombros de desgaste.

II.2.4 Desgaste por delaminación

EI desgaste por delaminación se describe por una serie de eventos secuenciales,

los cuales conducen a la formación de partículas de desgaste.

1. Cuando dos superficies en deslizamiento están en contacto, la carga normal

y tangencial es transmitida a través de los puntos de contacto por adhesión

y por la acción de las rugosidades.

Las asperezas de la superficie más blanda son fácilmente deformadas y

algunas son fracturadas por la acción repetitiva de la carga. Una superficierelativamente lisa se genera cuando sus asperezas son deformadas y

removidas. Una vez que la superficie no contiene tantas rugosidades, el

contacto no se da entre aspereza, sino entre asperezas y planos y cada punto

a lo largo de la superficie más blanda, experimenta una carga cíclica

desarrollada por las aspereza de la superficie más dura.

2. La tracción superficial que ejercen las asperezas más duras en la superficie

más blanda, induce a una deformación cortante plásticas que se acumula

con la repetición de la carga.

3. Como la deformación en la zona subsuperficial continua, las grietas se

nuclean por debajo de la superficie. Esta nucleación no es muy


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recomendable porque se realiza cerca de la superficie, provocando un

esfuerzo de compresión muy alto justo por debajo de las regiones de

contacto.

4. Una vez que se presentan la nucleación de las grietas, otro ciclo de carga y

deformación causan que estas se extiendan, se propaguen, y se unan con

otras. Las grietas tienden a propagarse paralelamente a la superficie, a una

profundidad que depende de las propiedades del material y el coeficiente de

fricción.

5. Cuando estas grietas cortan y/o fracturan la superficie, aparecen capas de

desgaste de una longitud y espesor cualquiera. El espesor de estas capas

está controlado por la localización y crecimiento de las grietassubsuperficiales.

II.2.5 Desgaste por descamación

El desgaste por descamación es característico de la fricción por rodadura. Durante

la carga cíclica aparecen en la superficie esfuerzos y deformaciones internas,formando microgrietas y luego macrogrietas en la capa exterior del metal, que se

desprenden en forma de pequeñas escamas.

El esfuerzo cortante máximo τmáx que influye sobre la formación de escamas,

aparece a una profundidad de 0.78a y no sobre la superficie de contacto, figura 39.


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Figura 39. Distr ibución de esfuer zos en el contacto puntual o lineal de doselementos metálicos: τmax = 0.3 Pmax= esf uerzo cortante

máximo; N =car ga normal; 2a = ancho del campo de contacto;

b = longitud del mismo campo.

II.2.6 Desgaste por deslizamiento

El desgaste por deslizamiento se caracteriza por el movimiento relativo entre dos

superficies en contacto ba jo la aplicación de una carga. EI daño superficial que sepr esenta en el deslizamiento es debido a las rugosidades que puedan tener las

super ficies, a la penetración de asper ezas y/o partículas que forman el par

tribológico. La super ficie puede ser metálica o no metálica, lubricada o no lubricada.

En un tribosistema actúan dif er entes parámetros que af ectan dir ectamente la

fricción y el desgaste de los materiales. En la figura 40, se aprecian dichos

parámetros.


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Figura 40. Propiedades que afectan la fricción y el desgaste de materiales unidos

en contacto con deslizamiento.

En el contacto por deslizamiento el desgaste puede ocurrir debido a la adhesión,

fatiga de la superficie, reacción triboquímica y abrasión.

Diferentes factores interactúan para que se presente un mecanismo de desgaste

determinado. Estos se presentan en la figura 41.


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Figura 41. Factores que influyes en los mecanismos de desgaste durante el

contacto con deslizamiento.

El tipo de contacto que se presenta en los diferentes elementos tribológicos y la

deformación elástica a plástica de los mismos, está en función de la tracción

tangencial de la superficie, del área de contacto y de las propiedades del material.

El fenómeno de la adhesión nos permite comprender cuál es la fuerza o la carga

tangencial que se transfiere (fuerza de fricción, entre superficies muy lisas. Las

fuerzas de la superficie que se involucran en el fenómeno de adhesión pueden ser

efectivas solamente en distancias muy pequeñas, en el orden de 3 nm., de tal

manera que el crecimiento del área real de contacto incremente la fuerza de

adhesión.


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Los procesos físicos que ocurren durante el desgaste por deslizamiento se

muestran en la figura 42.

Figura 42. Mecanismos de desgaste durante el contacto con deslizamiento: (A)

Uniones de adhesión, material de tr ansferencia y surcos, (B) Fatiga

super ficial debido a la repetición de la deformación plástica en metales

dúctiles, (C) Agr ietamiento por fatiga superf icial en materiales frágiles

y (D) Reacción triboquímica y agrietamiento de las capas de reacción.

Como resultado del movimiento relativo, el material es separado de la superficie y

transferido, quedando en la superficie surcos o asperezas suaves, figura 42A. La

misma "capa" de partículas de desgaste, se forma por fatiga de la superficie del

material más blando por efecto de la deformación plástica cíclica que ejerce el

cuerpo contrario más duro, figura 42B.

La tracción de la superficie en contacto por deslizamiento, puede producir

rompimiento del material frágil, tal como ocurre en los cerámicos, figura 42C. EI

rompimiento de la capa superficial por reacción triboquímica, provoca partículas


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sueltas de desgaste, que actúan en forma cortante si son más duras que el material

de base.

II.2.7 Desgaste por fatiga superficial

Este tipo de desgaste aparece en todos los elementos de máquinas donde hay

carga cíclica, independientemente del tipo de fricción. Este determina la fatiga del

material en todo su volumen, debido a la formación de microgrietas y a la eliminación

de la pieza en uso. La forma más simple de representación del problema se aprecia

en la figura 43.

.

Figura 43. Relación del número de ciclos de trabajo y el esfuerzo máximo.

En realidad la fatiga no solo produce grietas, sino también la formación de

escamas en la superficie del material. El contacto por rodadura, deslizamiento de

sólidos o impacto de sólidos y/o líquidos, puede dar como resultado un esfuerzo

superficial cíclico. La fatiga puede localizarse a escala macroscópica, debido a la

repetición del contacto de asperezas en la superficie de sólidos con movimiento

relativo.


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La fatiga superficial generalmente se presenta en ruedas de ferrocarril, rodamientos

o baleros, rodillos de laminadora, flechas, etcétera, y la falla procede de la secuencia

de la deformación elástica y plástica, acompañadas de una dureza o ablandamiento

por trabajo, o que provoca el inicio de grietas y la propagación de las mismas por

debajo de la superficie.

Con la formación y propagación de grietas también se forman picaduras en la

superficies del material, figura 44.

Figura 44. Picaduras en la superficie de un acero carburizado con dureza de 60

HRC.

Existen dos modelos para representar la fatiga en contacto con rodadura, y fueron

propuestos para describir la formación de picaduras en una superficie afectada. Lasgrietas en la superficie sólida pueden deberse a la presencia de inclusiones

superficiales, a los procesos de producción, a muescas debido al pulido de las

partículas de desgaste o por el esfuerzo de tensión y compresión en el área de

contacto. Originalmente las grietas se propagan en la superficie en dirección

inclinada como se ve en la figura 45.


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Figura 45. Formación y propagación de grietas en la fatiga de un material.

El esfuerzo cortante alcanza su valor máximo por debajo de la superficie, lo que

provoca la formación de grietas subsuperficiales. Las grietas superficiales se forman

por la interacción mecánica o química, o la interacción de la superficie sólida encontacto con el medio ambiente, o el elemento interfacial.

Otro modelo supone la formación de grietas subsuperficiales, debido a que el

esfuerzo cortante máximo se incrementó por las muescas internas, por ejemplo, las

inclusiones de carburos concentran los esfuerzos por debajo de la superficie, con la

formación de grietas subsuperficiales. Especialmente cuando existe un contacto con

una sobrecarga, las grietas se forman en zonas de deformación plástica por debajo

de la superficie. La propagación de grietas en la superficie sólida provoca la

formación de escamas o picaduras.

La fatiga superficial es importante si la relacionamos con los mecanismos de

adhesión y de abrasión. De acuerdo con el modelo propuesto por Suh y


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colaboradores, la propagación de grietas subsuperficiales es paralela a la superficie

figura 45c. Las partículas de desgaste, se generan cuando las grietas

subsuperficiales se propagan a través de la superficie.

Generalmente esa se desintegra por delaminación, la que se debe a la acción

simultánea de la adhesión y/o abrasión y la fatiga superficial. La carga cíclica sobre

la superficie con mayor concentración de esfuerzos, se produce por la fricción y de

la carga normal en el área de contacto. Las fuerzas de fricción se originan por la

adhesión y/o abrasión entre las asperezas y la superficie afectada.

Algunas veces, el desgaste por erosión debido al impacto de partículas sólidas o

liquidas, o el desgaste por impacto son tratados como mecanismos de desgasteindependientes.

Esto es arbitrario, ya que el movimiento de partículas puede explicarse de manera

simultánea a través del desgaste por adhesión, erosión y fatiga superficial. La

diferencia principal entre el desgaste por erosión y el desgaste por abrasión, es el

ángulo de ataque de las partículas.

En el primero el ángulo de ataque es pequeño, mientras que en el segundo es

proporcional a la energía cinética que se transmite a la superficie. Esto afecta

principalmente la deformación elástica y plástica de los sólidos en contacto por

deslizamiento.


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II.2.8 Desgaste por oxidación o desgaste triboquímico

Aparece en fricción por deslizamiento y rodadura, cuando la intensidad de formación

de capas de óxido, es mayor que la intensidad de destrucción del material por

abrasión.

Este es un proceso con adsorción de oxígeno, el que se difunde a las regiones

deformadas plástica y elásticamente, formando soluciones y uniones químicas del

metal con oxígeno, facilitando la separación de los óxidos más frágiles del material.

En materiales ferrosos se forman el Fe2O3, (trióxido de hierro), Fe3O4 (tetraóxido

de hierro) y FeO (monóxido de hierro).

La corrosión ambiental que puede ser liquida o gaseosa, ataca a todas las

superficies que están en peligro de sufrir desgaste por reacción triboquímica. Por

ejemplo; uniones remachadas, sellos, muelles, cadenas, etc. De acuerdo a la figura

46, los mecanismos de desgaste triboquímico se dividen en cuatro categorías:

Figura 46. Mecanismos involucrados en el desgaste triboquímico.


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(A) Contacto metálico entre las asperezas superficiales (adhesión). Los

pequeños escombros del desgaste metálico producido pueden oxidarse,

causando posteriormente desgaste par reacción triboquímica.

(B) La reacción química de los metales con el medio ambiente, produce una

capa superficial, que reduce el contacto metálico.

(C) El rompimiento de la capa superficial, debido a la alta presión local o

microfatiga, produce escombros se desgaste no metálicos.

(D) Los escombros de desgaste metálico o no metálico, pueden actuar como

abrasivos dejando ásperas las superficies de contacto.

El daño de la superficie friccionada y la pérdida de masa de la misma, son causados

par la presencia de estos diferentes procesos. Esto indica, que el desgaste

triboquímico está influenciado par la cinética de la formación de las capas

superficiales y las propiedades que determinan su resistencia a ser removidas, tales

como: la ductilidad, la resistencia y la adhesión can la subcapa.

La resistencia que tiene la capa triboquímica a la fractura, se incrementa por la

resistencia del material de la subcapa. EI desgaste poco severo es favorecido si la

dureza de la capa producida y de la subcapa son iguales.

Un lubricante o simplemente el oxígeno atmosférico favorecen en gran parte, el

ataque químico y por consiguiente la formación de los productos de la reacción

triboquímica.

EI lubricante puede anular el desgaste par adhesión pero incrementa el desgaste

triboquímico. En la figura 47, se muestra la relación entre el desgaste y la reacción

química que determina la cantidad y la velocidad de formación de los productos


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constituyentes de la capa superficial protectora, en sistemas lubricados o

simplemente en contacto con oxígeno atmosférico.

Figura 47. Desgaste en función de la reacción química.

II.2.9 Desgaste por picado

El desgaste por picado aparece en fricción por rodadura. Es un proceso con

lubricación que permite el desarrollo y propagación de grietas, siendo característico

en rodamientos y engranes donde la f r icción por rodadura se lleva a cabo con

deslizamiento. En él se pueden distinguir tres etapas:

1. Fatiga superf icial del material e inicio de micr ogr ietas.

2. Desarrollo y propagación de grietas como resultado de la acción del aceite

o grasa.

3. La extracción de algunas partículas metálicas que perdieron su cohesión al

utilizar un lubr icante.


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II.2.10 Desgaste térmico

Este tipo de desgaste aparece en fricción par deslizamiento debido al incremento

de la temperatura, ya que comúnmente, el aumento de la temperatura disminuye la

tensión de fluencia de uno de los dos materiales que se encuentran en movimiento

relativo, lo que permite la formación de uniones térmicas y de adhesión, con el

posterior desplazamiento del metal sobre la superficie.

II.2.11 Desgaste por cavitación

La fatiga por picaduras por cavitación puede ser un serio problema en hélices

marinas de todos los tamaños, impulsores de bombas, bombas y equipos

hidráulicos, turbinas, convertidores de torques y otras partes que están en contacto

o vibran con varios líquidos, figura 48.

Es importante mencionar que las picaduras pueden variar en tamaño desde muy

pequeñas en tamaño a muy grandes en algunos casos. Las picaduras pueden

penetrar completamente el espesor del metal, el cual puede ser de varias pulgadas

de grosor; obviamente, esto puede resultar en daños catastróficos a la estructura,

en adición a la destrucción de la eficiencia funcional de las partes involucradas.

Figura 48. Fatiga por picadura por cavitación.


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II.3 Pruebas de fricción y desgaste

Las pruebas de fricción y desgaste bajo condiciones experimentales, permiten

optimizar la selección de materiales antifricción e impulsar el desarrollo de nuevos

materiales con aplicaciones específicas.

Durante las tres últimas décadas se ha desarrollado un gran número de pruebas

para evaluar la fricción y el desgaste de diversos materiales por medio de sus

características geométricas, físicas y mecánicas, mostrando una conexión entre las

características experimentales .de los sólidos, el medio de lubricación, el coeficiente

de fricción, y la resistencia al desgaste cuando dos cuerpos interactúan.

II.3.1 Pruebas geométricas típicas

Las pruebas geométricas de pares que implican deslizamiento, pueden ser

clasificadas dentro de dos clases: la clase I, donde el movimiento relativo de los

miembros es unidireccional, y la clase II, cuando los miembros tienen un movimiento

alternativo.

Cada clase puede ser dividida en dos grupos: el primer grupo corresponde a las

máquinas de acabado por fricción y el segundo grupo a las máquinas de fricción por

contacto a lo largo de una generatriz. Cada uno de estos grupos, puede ser dividido

en dos subgrupos de acuerdo· con el coeficiente de traslapo mutuo Kmu+:(a) kmu

→1;(b)Kmu → 0, figura 48.

El coeficiente de traslapo, es la relación de las áreas de fricción a lo largo de doscuerpos rugosos.

Las pruebas utilizadas en la interface geométrica para recubrimientos y tratamientos

superficiales se muestran en la figura 49, y a su vez se comparan con la tabla 5.


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Figura 49. Clasificación de los arreglos para pruebas de fricción en materiales.


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Tabla 5. Pruebas de fricción y desgaste.

A continuación se hace una descripción de las pr uebas geométr icas típicas,

tomando en cuenta factores tan importantes como las cargas aplicadas, sean

estáticas o dinámicas, el tipo de movimiento y el tipo de contacto.

II.3.1.1 Espiga sobre un disco (carga superficial)

En esta prueba la espiga, que es estacionaria, se coloca sobr e un disco que tiene

un movimiento de rotación u oscilación. La espiga puede ser una esfera sin rotación,

una placa terminada en forma cilíndr ica a un paralelepípedo rectangular can un

extremo semiesférico. Este aparato de prueba es probablemente el más utilizado

para aplicaciones tribológicas, figura 50.

Figura 50. Espiga sobre un disco.

8/19/2019

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Apuntes Tribologia 2016