El desgaste es la deformación o eliminación gradual y dañina del material en superficies sólidas . Las causas del desgaste pueden ser mecánicas (por ejemplo, erosión ) o químicas (por ejemplo, corrosión ). El estudio del desgaste y los procesos relacionados se conoce como tribología .
El desgaste de los elementos de las máquinas , junto con otros procesos como la fatiga y la fluencia , provoca la degradación de las superficies funcionales, lo que a la larga conduce a la falla del material o la pérdida de funcionalidad. Por lo tanto, el desgaste tiene una gran relevancia económica, como se señaló por primera vez en el Informe Jost . [1] Se ha estimado que el desgaste abrasivo por sí solo cuesta entre el 1 y el 4 % del producto nacional bruto de las naciones industrializadas. [2]
El desgaste de los metales se produce por desplazamiento plástico del material superficial y cercano a la superficie y por desprendimiento de partículas que forman los restos de desgaste . El tamaño de las partículas puede variar desde milímetros hasta nanómetros . [3] Este proceso puede ocurrir por contacto con otros metales, sólidos no metálicos, líquidos en movimiento, partículas sólidas o gotitas de líquido arrastradas en gases en movimiento. [4]
La tasa de desgaste se ve afectada por factores como el tipo de carga (por ejemplo, impacto, estática, dinámica), el tipo de movimiento (por ejemplo, deslizamiento , rodadura ), la temperatura y la lubricación , en particular por el proceso de deposición y desgaste de la capa de lubricación límite. [5] Dependiendo del tribosistema , se pueden observar diferentes tipos de desgaste y mecanismos de desgaste .
Los tipos de desgaste se identifican por el movimiento relativo , la naturaleza de la perturbación en la superficie desgastada o "mecanismo", y si afecta a una capa autorregenerativa o de base. [6]
Los mecanismos de desgaste son las alteraciones físicas. Por ejemplo, el mecanismo de desgaste adhesivo es la adhesión . Los mecanismos de desgaste y/o submecanismos con frecuencia se superponen y ocurren de manera sinérgica, lo que produce una mayor tasa de desgaste que la suma de los mecanismos de desgaste individuales. [7]
El desgaste adhesivo se puede encontrar entre superficies durante el contacto por fricción y generalmente se refiere al desplazamiento y la adhesión no deseados de restos de desgaste y compuestos de materiales de una superficie a otra. [8] Se pueden distinguir dos tipos de desgaste adhesivo: [ cita requerida ]
En general, el desgaste adhesivo se produce cuando dos cuerpos se deslizan o se presionan entre sí, lo que promueve la transferencia de material. Esto puede describirse como una deformación plástica de fragmentos muy pequeños dentro de las capas superficiales. [ cita requerida ] Las asperezas o puntos altos microscópicos ( rugosidad superficial ) que se encuentran en cada superficie afectan la gravedad de cómo se desprenden los fragmentos de óxidos y se agregan a la otra superficie, en parte debido a las fuertes fuerzas adhesivas entre los átomos, [9] pero también debido a la acumulación de energía en la zona plástica entre las asperezas durante el movimiento relativo.
El tipo de mecanismo y la amplitud de la atracción superficial varían entre los distintos materiales, pero se amplifican con un aumento de la densidad de la "energía superficial". La mayoría de los sólidos se adhieren al contacto hasta cierto punto. Sin embargo, las películas de oxidación, los lubricantes y los contaminantes que se producen de forma natural generalmente suprimen la adhesión [10], y las reacciones químicas exotérmicas espontáneas entre superficies generalmente producen una sustancia con un estado de energía bajo en las especies absorbidas [11] .
El desgaste adhesivo puede provocar un aumento de la rugosidad y la creación de protuberancias (es decir, grumos) sobre la superficie original. En la fabricación industrial, esto se conoce como excoriación , que finalmente rompe la capa superficial oxidada y se conecta con el material subyacente, lo que mejora la posibilidad de una adhesión más fuerte [11] y el flujo plástico alrededor del grumo.
Un modelo simple para el volumen de desgaste por desgaste adhesivo, , se puede describir mediante: [12] [13]
donde es la carga, es el coeficiente de desgaste, es la distancia de deslizamiento y es la dureza.
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El desgaste abrasivo ocurre cuando una superficie dura y rugosa se desliza sobre una superficie más blanda. [9] ASTM International lo define como la pérdida de material debido a partículas duras o protuberancias duras que son empujadas contra una superficie sólida y se mueven a lo largo de ella. [14]
El desgaste abrasivo se clasifica comúnmente según el tipo de contacto y el entorno de contacto. [15] El tipo de contacto determina el modo de desgaste abrasivo. Los dos modos de desgaste abrasivo se conocen como desgaste abrasivo de dos cuerpos y de tres cuerpos. El desgaste de dos cuerpos se produce cuando las partículas duras o granuladas eliminan material de la superficie opuesta. La analogía común es la del material que se elimina o desplaza mediante una operación de corte o arado. El desgaste de tres cuerpos se produce cuando las partículas no están restringidas y son libres de rodar y deslizarse por una superficie. El entorno de contacto determina si el desgaste se clasifica como abierto o cerrado. Un entorno de contacto abierto se produce cuando las superficies están lo suficientemente desplazadas como para ser independientes entre sí.
Existen varios factores que influyen en el desgaste abrasivo y, por lo tanto, en la forma en que se elimina el material. Se han propuesto varios mecanismos diferentes para describir la forma en que se elimina el material. Tres mecanismos de desgaste abrasivo identificados comúnmente son: [ cita requerida ]
El arado se produce cuando el material se desplaza hacia un lado, lejos de las partículas de desgaste, lo que da lugar a la formación de ranuras que no implican la eliminación directa de material. El material desplazado forma crestas adyacentes a las ranuras, que pueden eliminarse mediante el paso posterior de partículas abrasivas.
El corte se produce cuando el material se separa de la superficie en forma de restos primarios o microvirutas, y se desplaza poco o nada de material hacia los lados de las ranuras. Este mecanismo se parece mucho al mecanizado convencional.
La fragmentación se produce cuando el material se separa de una superficie mediante un proceso de corte y el abrasivo penetrante provoca una fractura localizada del material de desgaste. Estas grietas luego se propagan libremente de manera local alrededor de la ranura de desgaste, lo que da como resultado una eliminación adicional de material por desconchado . [15]
El desgaste abrasivo se puede medir como pérdida de masa mediante la prueba de abrasión Taber según ISO 9352 o ASTM D 4060.
El volumen de desgaste por desgaste abrasivo único, , se puede describir mediante: [13]
donde es la carga, es el factor de forma de una aspereza (normalmente ~ 0,1), es el grado de desgaste de una aspereza (normalmente 0,1 a 1,0), es el coeficiente de desgaste, es la distancia de deslizamiento y es la dureza.
La fatiga superficial es un proceso en el que la superficie de un material se debilita por la acción de cargas cíclicas, que es un tipo de fatiga general del material. El desgaste por fatiga se produce cuando las partículas de desgaste se desprenden por el crecimiento cíclico de microfisuras en la superficie. Estas microfisuras son grietas superficiales o grietas subsuperficiales.
El desgaste por fricción es el roce cíclico repetido entre dos superficies. Durante un período de tiempo, el desgaste por fricción eliminará material de una o ambas superficies en contacto. Se produce típicamente en los cojinetes, aunque la mayoría de los cojinetes tienen sus superficies endurecidas para resistir el problema. Otro problema se produce cuando se crean grietas en cualquiera de las superficies, lo que se conoce como fatiga por fricción. Es el más grave de los dos fenómenos porque puede provocar una falla catastrófica del cojinete. Un problema asociado se produce cuando las pequeñas partículas eliminadas por el desgaste se oxidan en el aire. Los óxidos suelen ser más duros que el metal subyacente, por lo que el desgaste se acelera a medida que las partículas más duras desgastan aún más las superficies metálicas. La corrosión por fricción actúa de la misma manera, especialmente cuando hay agua presente. Los cojinetes desprotegidos en estructuras grandes como puentes pueden sufrir una degradación grave en su comportamiento, especialmente cuando se utiliza sal durante el invierno para descongelar las carreteras por las que pasan los puentes. El problema de la corrosión por fricción estuvo relacionado con la tragedia del Puente Silver y el accidente del Puente del río Mianus .
El desgaste erosivo se puede definir como un movimiento de deslizamiento extremadamente corto y se ejecuta en un intervalo de tiempo corto. El desgaste erosivo es causado por el impacto de partículas sólidas o líquidas contra la superficie de un objeto. [10] [16] Las partículas que impactan eliminan gradualmente material de la superficie a través de deformaciones repetidas y acciones de corte. [17] Es un mecanismo ampliamente encontrado en la industria. Debido a la naturaleza del proceso de transporte, los sistemas de tuberías son propensos al desgaste cuando se deben transportar partículas abrasivas. [18]
La tasa de desgaste erosivo depende de varios factores. Las características materiales de las partículas, como su forma, dureza, velocidad de impacto y ángulo de impacto son factores primarios junto con las propiedades de la superficie que se erosiona. El ángulo de impacto es uno de los factores más importantes y es ampliamente reconocido en la literatura. [19] Para materiales dúctiles, la tasa máxima de desgaste se encuentra cuando el ángulo de impacto es de aproximadamente 30°, mientras que para materiales no dúctiles la tasa máxima de desgaste ocurre cuando el ángulo de impacto es normal a la superficie. [19] En [20] se proporciona un análisis teórico detallado de la dependencia del desgaste erosivo del ángulo de inclinación y las propiedades del material.
Para una morfología de partícula dada, la tasa de erosión, , se puede ajustar con una dependencia de la ley de potencia de la velocidad: [16]
donde es una constante, es la velocidad y es un exponente de velocidad. normalmente está entre 2 y 2,5 para metales y entre 2,5 y 3 para cerámicas.
El desgaste por corrosión y oxidación se produce tanto en contactos lubricados como secos. La causa fundamental son las reacciones químicas entre el material desgastado y el medio corrosivo. [21] El desgaste causado por una acción sinérgica de las tensiones tribológicas y la corrosión también se denomina tribocorrosión .
El desgaste por impacto se produce por el contacto entre dos cuerpos. A diferencia del desgaste erosivo, el desgaste por impacto siempre se produce en el mismo lugar bien definido. Si el impacto se repite, normalmente la energía cinética en el momento del impacto es constante. La frecuencia de los impactos puede variar. El desgaste puede producirse en ambos cuerpos, pero normalmente uno de ellos tiene una dureza y una tenacidad significativamente mayores y su desgaste se desprecia.
Otros tipos de desgaste menos comunes son la cavitación y el desgaste difusivo. [6]
En condiciones de funcionamiento nominales, la tasa de desgaste normalmente cambia en tres etapas diferentes: [ cita requerida ]
La tasa de desgaste está fuertemente influenciada por las condiciones de operación y la formación de tribopelículas . La etapa secundaria se acorta a medida que aumentan las condiciones ambientales severas, como altas temperaturas, tasas de deformación y tensiones.
Los denominados mapas de desgaste, que muestran la tasa de desgaste en diferentes condiciones de funcionamiento, se utilizan para determinar los puntos de funcionamiento estables para los contactos tribológicos. Los mapas de desgaste también muestran los modos de desgaste dominantes en diferentes condiciones de carga. [ cita requerida ]
En los ensayos explícitos de desgaste que simulan condiciones industriales entre superficies metálicas, no existe una distinción cronológica clara entre las diferentes etapas de desgaste debido a las grandes superposiciones y relaciones simbióticas entre los diversos mecanismos de fricción. Se utilizan la ingeniería y los tratamientos de superficies para minimizar el desgaste y extender la vida útil de los componentes. [1] [22]
Existen varios métodos de prueba estándar para diferentes tipos de desgaste que permiten determinar la cantidad de material eliminado durante un período de tiempo específico en condiciones bien definidas. El Comité G-2 de ASTM International estandariza las pruebas de desgaste para aplicaciones específicas, que se actualizan periódicamente. La Sociedad de Ingenieros Tribológicos y de Lubricación (STLE) ha documentado una gran cantidad de pruebas de fricción, desgaste y lubricación. Las pruebas de desgaste estandarizadas se utilizan para crear clasificaciones comparativas de materiales para un conjunto específico de parámetros de prueba, tal como se estipula en la descripción de la prueba. Para obtener predicciones más precisas del desgaste en aplicaciones industriales, es necesario realizar pruebas de desgaste en condiciones que simulen el proceso de desgaste exacto.
Una prueba de atrición es una prueba que se realiza para medir la resistencia de un material granular al desgaste.
La ley de desgaste de Reye-Archard-Khrushchov es el modelo clásico de predicción del desgaste. [23]
El coeficiente de desgaste es un coeficiente físico utilizado para medir, caracterizar y correlacionar el desgaste de los materiales.
El análisis de lubricantes es una forma indirecta alternativa de medir el desgaste. En este caso, el desgaste se detecta por la presencia de partículas de desgaste en un lubricante líquido. Para obtener más información sobre la naturaleza de las partículas, se pueden realizar análisis químicos (como XRF, ICP-OES), estructurales (como ferrografía ) u ópticos (como microscopía óptica ). [24]
