El desgaste es la eliminación o deformación gradual y dañina del material en superficies sólidas . Las causas del desgaste pueden ser mecánicas (p. ej., erosión ) o químicas (p. ej., corrosión ). El estudio del desgaste y los procesos relacionados se denomina tribología .
El desgaste de los elementos de la máquina , junto con otros procesos como la fatiga y la fluencia , provoca la degradación de las superficies funcionales, lo que eventualmente conduce a fallas del material o pérdida de funcionalidad. Por lo tanto, el desgaste tiene una gran relevancia económica, como se describió 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 ocurre por el desplazamiento plástico del material superficial y cercano a la superficie y por el desprendimiento de partículas que forman desechos 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 que fluyen, partículas sólidas o gotas de líquidos arrastradas en gases que fluyen. [4]
La tasa de desgaste se ve afectada por factores como el tipo de carga (p. ej., impacto, estática, dinámica), tipo de movimiento (p. ej., deslizamiento , rodamiento ), temperatura y lubricación , en particular por el proceso de deposición y desgaste del capa límite de lubricación. [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 alteración en la superficie desgastada o "mecanismo" y si afecta a una capa base o autorregenerativa . [6]
Los mecanismos de desgaste son la perturbación física. Por ejemplo, el mecanismo de desgaste adhesivo es la adhesión . Los mecanismos y/o submecanismos de desgaste frecuentemente se superponen y ocurren de manera sinérgica, produciendo una tasa de desgaste mayor 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 no deseado y la unión de restos de desgaste y compuestos de materiales de una superficie a otra. [8] Se pueden distinguir dos tipos de desgaste adhesivo: [ cita necesaria ]
Generalmente, el desgaste adhesivo se produce cuando dos cuerpos se deslizan o se presionan entre sí, lo que favorece la transferencia de material. Esto puede describirse como una deformación plástica de fragmentos muy pequeños dentro de las capas superficiales. [ cita necesaria ] Las asperezas o puntos altos microscópicos ( rugosidad de la superficie ) que se encuentran en cada superficie afectan la gravedad de cómo se extraen y agregan los fragmentos de óxidos 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 diferentes materiales, pero se amplifican por un aumento en la densidad de la "energía superficial". La mayoría de los sólidos se adherirán al contacto hasta cierto punto. Sin embargo, las películas de oxidación, los lubricantes y los contaminantes que ocurren naturalmente generalmente suprimen la adhesión, [10] y las reacciones químicas exotérmicas espontáneas entre superficies generalmente producen una sustancia con un estado energético bajo en las especies absorbidas. [11]
El desgaste del 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 eventualmente rompe la capa superficial oxidada y se conecta con el material a granel subyacente, mejorando la posibilidad de una adhesión más fuerte [11] y un flujo plástico alrededor del bulto.
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 se fuerzan 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 ocurre cuando los granos o partículas duras eliminan material de la superficie opuesta. La analogía común es la del material que se retira o desplaza mediante una operación de corte o arado. El desgaste de tres cuerpos ocurre cuando las partículas no están restringidas y pueden rodar y deslizarse libremente por una superficie. El entorno de contacto determina si el desgaste se clasifica como abierto o cerrado. Un ambiente de contacto abierto ocurre cuando las superficies están lo suficientemente desplazadas para ser independientes entre sí.
Hay una serie de factores que influyen en el desgaste abrasivo y, por tanto, en la forma de eliminación del material. Se han propuesto varios mecanismos diferentes para describir la manera en que se elimina el material. Tres mecanismos comúnmente identificados de desgaste abrasivo son: [ cita necesaria ]
El arado ocurre cuando el material se desplaza hacia un lado, lejos de las partículas de desgaste, lo que resulta en la formación de surcos que no involucran la remoción directa de material. El material desplazado forma crestas adyacentes a las ranuras, que pueden eliminarse mediante el paso posterior de partículas abrasivas.
El corte ocurre cuando el material se separa de la superficie en forma de desechos primarios o microchips, con poco o ningún material desplazado hacia los lados de las ranuras. Este mecanismo se parece mucho al mecanizado convencional.
La fragmentación ocurre cuando el material se separa de una superficie mediante un proceso de corte y el abrasivo indentador causa una fractura localizada del material de desgaste. Luego, estas grietas se propagan libremente localmente alrededor de la ranura de desgaste, lo que produce una eliminación adicional de material mediante 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 para desgaste abrasivo simple, , se puede describir mediante: [13]
donde es la carga, es el factor de forma de una aspereza (típicamente ~ 0,1), son los grados de desgaste de una aspereza (típicamente 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 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 periodo de tiempo se frotará lo que eliminará material de una o ambas superficies en contacto. Ocurre típicamente en rodamientos, aunque la mayoría de los rodamientos tienen sus superficies endurecidas para resistir el problema. Otro problema ocurre 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 un fallo catastrófico del rodamiento. Un problema asociado ocurre 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 en presencia de agua. Los soportes desprotegidos en grandes estructuras como puentes pueden sufrir una grave degradación 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 involucrado en la tragedia del Puente Silver y en el accidente del Puente del Río Mianus .
El desgaste erosivo se puede definir como un movimiento deslizante 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 el material de la superficie mediante 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 a desgastarse cuando es necesario 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 está erosionando. El ángulo de choque es uno de los factores más importantes y está ampliamente reconocido en la literatura. [19] Para materiales dúctiles, la tasa de desgaste máxima se encuentra cuando el ángulo de impacto es de aproximadamente 30°, mientras que para materiales no dúctiles la tasa de desgaste máxima se produce 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 ley de potencia que depende de la velocidad: [16]
donde es una constante, es la velocidad y es un exponente de la velocidad. suele estar entre 2 y 2,5 para metales y entre 2,5 y 3 para cerámica.
El desgaste por corrosión y oxidación ocurre 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 tensiones tribológicas y 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 ocurre en el mismo lugar bien definido. Si el impacto se repite, generalmente con energía cinética constante en el momento del impacto. La frecuencia de los impactos puede variar. El desgaste puede ocurrir en ambos cuerpos, pero normalmente un cuerpo tiene una dureza y tenacidad significativamente mayores y su desgaste se ignora.
Otros tipos de desgaste menos comunes son la cavitación y el desgaste por difusión. [6]
En condiciones de funcionamiento nominal, la tasa de desgaste normalmente cambia en tres etapas diferentes: [ cita necesaria ]
La tasa de desgaste está fuertemente influenciada por las condiciones de funcionamiento y la formación de tribopelículas . La etapa secundaria se acorta con la creciente severidad de las condiciones ambientales, como altas temperaturas, tasas de deformación y tensiones.
Los llamados mapas de desgaste, que muestran la tasa de desgaste en diferentes condiciones de funcionamiento, se utilizan para determinar puntos de funcionamiento estables para contactos tribológicos. Los mapas de desgaste también muestran los modos de desgaste dominantes bajo diferentes condiciones de carga. [ cita necesaria ]
En pruebas de desgaste explícitas que simulan condiciones industriales entre superficies metálicas, no hay una distinción cronológica clara entre las diferentes etapas de desgaste debido a grandes superposiciones y relaciones simbióticas entre varios mecanismos de fricción. Se utilizan tratamientos e ingeniería de superficies para minimizar el desgaste y prolongar la vida útil de los componentes. [1] [22]
Existen varios métodos de prueba estándar para diferentes tipos de desgaste para 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, las cuales se actualizan periódicamente. La Sociedad de Ingenieros de Tribología y 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 según lo estipulado 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 desgaste 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 materiales.
El análisis de lubricantes es una forma alternativa e indirecta 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]
