Expo Sic Ion Ppios de Tribologia

FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍAFUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA:

Tribología: Ciencia que estudia la relación entre el desgaste, la fricción y la lubricación.

INTRODUCIÓNINTRODUCIÓN

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

id26704062 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com

Desgaste - Erosión � en arrecifes

Ocasionada por movimiento del aguadel mar y arena en suspensión

La fricción y el desgaste hacen parte de la naturaleza

Fricción - Para hacer fuego

La fricción y el desgaste hacen parte de la cultura humana

Desgaste - Procesos de Fabricación

los Procesos tradicionales se derivan de desarollos pré - históricos...aún están en pleno

uso!


uso!

Maquinado�moderno�Maquinado�moderno�

Taladrado primitivode utensílios



http://www.msd-brazil.com/msd43/m_manual/mm_sec5_46.htm

Lubricación


2. FACTORES QUE FAVORECEN ELDESGASTE DE PIEZAS MECÁNICAS

-- Mal diseño de elementos mecánicosMal diseño de elementos mecánicos

-- Utilización de materiales no adecuadosUtilización de materiales no adecuados

-- Poca o ninguna utilización de lubricantes Poca o ninguna utilización de lubricantes adecuadosadecuados

-- Desconocimiento del fenómenoDesconocimiento del fenómeno

-- Desconocimiento de las condiciones del Desconocimiento de las condiciones del lugar de trabajolugar de trabajo

Historia: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.

Bajo la óptica de la ingeniería, la tribología cobra importanciadebido 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

Académicamente, el estudio del desgaste y la fricción constituyen uno de los últimos aspectos de la mecánica clásica

Tópicos sobre los cuales centros de investigación especializadosTópicos sobre los cuales centros de investigación especializadoshan adelantado o debería adelantar estudios serios.han adelantado o debería adelantar estudios serios.

1.Trasferencia de tecnología2.Tratamiento y recubrimientos superficiales3.Desgaste metálico4.Efectos térmicos5.Lubricación límite6.Lubricación elastohidrodinámica7.Fricción8.Mecánica de contacto9.Desgaste abrasivo10.Desgaste en polímeros11.Motores reciprocantes12.Cerámicos13.Aditivos14.Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo15.Desgaste por cavitación y cavitación-erosión

1.Cojinetes de deslizamiento2.Desgaste metálico3.Aditivos en lubricantes4.Polímeros5.Lubricación elastohidrodinámica6.Fricción7.Mecánica de contacto8.Transferencia de tecnología9. Anillos de pistón10.Tratamientos y recubrimientos superficiales11.Diseño de cojinetes12.Desgaste abrasivo

Tópicos a investigar en el futuroTópicos Investigados

Generalidades sobre superficies sólidasGeneralidades 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 TEXTURA SUPERFICIALSUPERFICIAL

MECÁNICA DE CONTACTOMECÁNICA 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.Contacto entre una esfera y un plano.

31

N

ERF

11.1a

31

2

2.38.0

REFP N

máx

max = 0.31 FNmax

'.2 1.

2

21 CaFN

máxt

21

4.

8

3'

C

Área real y área aparente de contacto

Se presentan dos condiciones

1. contacto estático y

2. Contacto deslizante

Contacto estático Contacto con deslizamiento

n

1iir AA

Ar: área real d contacto y Ai: área de cada punto individual

y

Nr P

FA FN: Fuerza

normal y Py: Presión de fluencia

yr

PA

P: Fuerza normal

y Py: Presión de fluencia

2

N

T

y

N*r F

F1C1

PF

A

2

N

T1r

*r F

FC1AA

y

y

2

N

T

r*r

P

P1

FF

1C1

AA

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 G40/93ASTM G40/93 define la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción de la siguiente manera.

La fuerza de fricciónLa 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 fricciónEl 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.

NF f

Fricción esPropriedad

del sistema

CONTROL DE LA FRICCIÓN ESTÁTICA

CAUSAS ESTRATÉGIAS

causas y posibles estratégias

Química (adhesión)formación de uniones entre las superfícies

MecánicaPenetración de asperezas duras en un contra-cuerpo de menor dureza

Compatibilidad deLubricación RugosidadTemperatura

dureza Rugosidad del cuerpo de mayor HRecubrimientos presión de contacto

Tipos de desgasteTipos de desgasteErosión AbrasiónAbrasión Deslizamiento

Corrosión Cavitación

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.

TIPOS DE DESGASTE

Razones que impulsan el conocimiento de los diferentes tipos de desgaste

1. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO (FC)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 adhesivoDesgaste adhesivoLa 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 Definición generalgeneral:: daño provocado en una superficie por impactos repetitivos de partículas, que pueden ser

de diferente naturaleza, tamaño y forma.

Según ASTM G40/90Según 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

Formas de actuación de partículas erosivasFormas 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. 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 desgasteabrasivo?

MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO

En abrasión es necesario considerar el abrasivo

Abrasión

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 superficialSistemas 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 TriboquímicaSistemas donde predomina el mecanismo de reacción triboquímica

Cargaspresentes

Cargaspresentes

Material delsustrato


Fractura:Relación capa

sustrato

Remoción de capas

Remoción de capas

Adhesión de las capas


Cinética de Formaciónde capas


VARIABLES

Reacción Triboquímica

FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍAFUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA:

Tribología: Ciencia que estudia la relación entre el desgaste, la fricción y la lubricación.

INTRODUCIÓNINTRODUCIÓN

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

id26713390 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com

Desgaste - Erosión � en arrecifes

Ocasionada por movimiento del aguadel mar y arena en suspensión

La fricción y el desgaste hacen parte de la naturaleza

Fricción - Para hacer fuego


Desgaste - Procesos de Fabricación


uso!


uso!

Maquinado�moderno�Maquinado�moderno�





Lubricación


2. FACTORES QUE FAVORECEN ELDESGASTE DE PIEZAS MECÁNICAS

-- Mal diseño de elementos mecánicosMal diseño de elementos mecánicos

-- Utilización de materiales no adecuadosUtilización de materiales no adecuados

-- Poca o ninguna utilización de lubricantes Poca o ninguna utilización de lubricantes adecuadosadecuados

-- Desconocimiento del fenómenoDesconocimiento del fenómeno

-- Desconocimiento de las condiciones del Desconocimiento de las condiciones del lugar de trabajolugar de trabajo

Historia: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.

Bajo la óptica de la ingeniería, la tribología cobra importanciadebido 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

Académicamente, el estudio del desgaste y la fricción constituyen uno de los últimos aspectos de la mecánica clásica

Tópicos sobre los cuales centros de investigación especializadosTópicos sobre los cuales centros de investigación especializadoshan adelantado o debería adelantar estudios serios.han adelantado o debería adelantar estudios serios.

1.Trasferencia de tecnología2.Tratamiento y recubrimientos superficiales3.Desgaste metálico4.Efectos térmicos5.Lubricación límite6.Lubricación elastohidrodinámica7.Fricción8.Mecánica de contacto9.Desgaste abrasivo10.Desgaste en polímeros11.Motores reciprocantes12.Cerámicos13.Aditivos14.Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo15.Desgaste por cavitación y cavitación-erosión

1.Cojinetes de deslizamiento2.Desgaste metálico3.Aditivos en lubricantes4.Polímeros5.Lubricación elastohidrodinámica6.Fricción7.Mecánica de contacto8.Transferencia de tecnología9. Anillos de pistón10.Tratamientos y recubrimientos superficiales11.Diseño de cojinetes12.Desgaste abrasivo

Tópicos a investigar en el futuroTópicos Investigados

Generalidades sobre superficies sólidasGeneralidades 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 TEXTURA SUPERFICIALSUPERFICIAL

MECÁNICA DE CONTACTOMECÁNICA 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.Contacto entre una esfera y un plano.

31

N

ERF

11.1a

31

2

2.38.0

REFP N

máx

max = 0.31 FNmax

'.2 1.

2

21 CaFN

máxt

21

4.

8

3'

C

Área real y área aparente de contacto

Se presentan dos condiciones

1. contacto estático y

2. Contacto deslizante

Contacto estático Contacto con deslizamiento

n

1iir AA

Ar: área real d contacto y Ai: área de cada punto individual

y

Nr P

FA FN: Fuerza

normal y Py: Presión de fluencia

yr

PA

P: Fuerza normal

y Py: Presión de fluencia

2

N

T

y

N*r F

F1C1

PF

A

2

N

T1r

*r F

FC1AA

y

y

2

N

T

r*r

P

P1

FF

1C1

AA

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 G40/93ASTM G40/93 define la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción de la siguiente manera.

La fuerza de fricciónLa 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 fricciónEl 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.

NF f

Fricción esPropriedad

del sistema

CONTROL DE LA FRICCIÓN ESTÁTICA

CAUSAS ESTRATÉGIAS

causas y posibles estratégias

Química (adhesión)formación de uniones entre las superfícies

MecánicaPenetración de asperezas duras en un contra-cuerpo de menor dureza

Compatibilidad deLubricación RugosidadTemperatura

dureza Rugosidad del cuerpo de mayor HRecubrimientos presión de contacto

Tipos de desgasteTipos de desgasteErosión AbrasiónAbrasión Deslizamiento

Corrosión Cavitación

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.

TIPOS DE DESGASTE

Razones que impulsan el conocimiento de los diferentes tipos de desgaste

1. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO (FC)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 adhesivoDesgaste adhesivoLa 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 Definición generalgeneral:: daño provocado en una superficie por impactos repetitivos de partículas, que pueden ser

de diferente naturaleza, tamaño y forma.

Según ASTM G40/90Según 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


Formas de actuación de partículas erosivasFormas 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. 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 desgasteabrasivo?

MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO

En abrasión es necesario considerar el abrasivo

Abrasión

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 superficialSistemas 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 TriboquímicaSistemas donde predomina el mecanismo de reacción triboquímica

Cargaspresentes

Cargaspresentes



Fractura:Relación capa

sustrato

Remoción de capas

Remoción de capas





VARIABLES

Reacción Triboquímica

Expo Sic Ion Ppios de Tribologia

Documents

Transcript of Expo Sic Ion Ppios de Tribologia