Tribología

Ciencia e ingeniería de superficies interactuantes en movimiento relativo

La tribología es la ciencia y la ingeniería que estudia los fenómenos de fricción , lubricación y desgaste de superficies en interacción en movimiento relativo . Es una disciplina altamente interdisciplinaria que se basa en muchos campos académicos, como la física , la química , la ciencia de los materiales , las matemáticas , la biología y la ingeniería . ^[1] Los objetos fundamentales de estudio de la tribología son los tribosistemas , que son sistemas físicos de superficies en contacto. Los subcampos de la tribología incluyen la biotribología , la nanotribología y la tribología espacial . También está relacionada con otras áreas, como el acoplamiento de la corrosión y la tribología en la tribocorrosión y la mecánica de contacto de cómo se deforman las superficies en contacto. Aproximadamente el 20% del gasto energético total del mundo se debe al impacto de la fricción y el desgaste en los sectores del transporte, la fabricación, la generación de energía y la vivienda. ^[2]

Esta sección proporcionará una descripción general de la tribología, con enlaces a muchas de las áreas más especializadas.

Etimología

La palabra tribología deriva de la raíz griega τριβ- del verbo τρίβω , tribo , "froto" en griego clásico, y el sufijo -logía de -λογία , -logia "estudio de", "conocimiento de". Peter Jost acuñó la palabra en 1966, ^[1] en el informe homónimo que destacó el costo de la fricción , el desgaste y la corrosión para la economía del Reino Unido. ^[2]

Historia

Experimentos tribológicos sugeridos por Leonardo da Vinci

Historia temprana

A pesar de que el campo de la tribología ha recibido un nombre relativamente reciente, los estudios cuantitativos sobre la fricción se remontan a 1493, cuando Leonardo da Vinci señaló por primera vez las dos «leyes» fundamentales de la fricción . ^[3] Según Leonardo, la resistencia a la fricción era la misma para dos objetos diferentes del mismo peso pero que hacían contacto en diferentes anchuras y longitudes. También observó que la fuerza necesaria para superar la fricción se duplica cuando se duplica el peso. Sin embargo, los hallazgos de Leonardo permanecieron inéditos en sus cuadernos. ^[3]

Las dos "leyes" fundamentales de la fricción fueron publicadas por primera vez (en 1699) por Guillaume Amontons , con cuyo nombre se las suele asociar en la actualidad. En ellas se afirma que: ^[3]

• La fuerza de fricción que actúa entre dos superficies deslizantes es proporcional a la carga que presiona las superficies entre sí.
• La fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto entre las dos superficies.

Aunque no son de aplicación universal, estas sencillas afirmaciones son válidas para una gama sorprendentemente amplia de sistemas. ^[4] Estas leyes fueron desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb (en 1785), quien observó que la fuerza de fricción estática puede depender del tiempo de contacto y la fricción deslizante (cinética) puede depender de la velocidad de deslizamiento, la fuerza normal y el área de contacto. ^{[5] [6]}

En 1798, Charles Hatchett y Henry Cavendish realizaron la primera prueba fiable sobre el desgaste por fricción . En un estudio encargado por el Consejo Privado del Reino Unido , utilizaron una máquina de vaivén sencilla para evaluar la tasa de desgaste de las monedas de oro . Descubrieron que las monedas con arenilla entre ellas se desgastaban a un ritmo más rápido en comparación con las monedas autoapretadas. ^[7] En 1860, Theodor Reye ^[a] propuso la hipótesis de Reye  [it] . ^[9] En 1953, John Frederick Archard desarrolló la ecuación de Archard que describe el desgaste por deslizamiento y se basa en la teoría del contacto de asperezas . ^[10]

Otros pioneros de la investigación en tribología son el físico australiano Frank Philip Bowden ^[11] y el físico británico David Tabor ^[12] , ambos del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Juntos escribieron el libro de texto seminal The Friction and Lubrication of Solids ^[13] (Parte I publicada originalmente en 1950 y Parte II en 1964). Michael J. Neale fue otro líder en el campo durante mediados y fines del siglo XX. Se especializó en resolver problemas en el diseño de máquinas aplicando su conocimiento de tribología. Neale era respetado como un educador con un don para integrar el trabajo teórico con su propia experiencia práctica para producir guías de diseño fáciles de entender. El Manual de Tribología ^[14] , que editó por primera vez en 1973 y actualizó en 1995, todavía se usa en todo el mundo y forma la base de numerosos cursos de capacitación para diseñadores de ingeniería.

Duncan Dowson examinó la historia de la tribología en su libro de 1997 Historia de la tribología (2.ª edición). ^[5] Este cubre los desarrollos desde la prehistoria, pasando por las civilizaciones tempranas ( Mesopotamia , antiguo Egipto ) y destaca los desarrollos clave hasta finales del siglo XX.

El informe Jost

El término tribología se empezó a utilizar ampliamente tras la publicación del Informe Jost ^{en 1966. [1]} El informe destacaba el enorme coste que la fricción, el desgaste y la corrosión tienen para la economía del Reino Unido (entre el 1,1 y el 1,4 % del PIB ). ^[1] Como resultado, el gobierno del Reino Unido estableció varios centros nacionales para abordar los problemas tribológicos. Desde entonces, el término se ha difundido en la comunidad internacional y muchos especialistas se identifican ahora como "tribólogos".

Significado

A pesar de la considerable investigación realizada desde el Informe Jost, el impacto global de la fricción y el desgaste en el consumo de energía , el gasto económico y las emisiones de dióxido de carbono sigue siendo considerable. En 2017, Kenneth Holmberg y Ali Erdemir intentaron cuantificar su impacto en todo el mundo. ^[15] Consideraron los cuatro principales sectores consumidores de energía: transporte , manufactura , generación de energía y residencial . Se concluyeron lo siguiente: ^[15]

• En total, aproximadamente el 23% del consumo mundial de energía se origina en contactos tribológicos. De ese total, el 20% se destina a superar la fricción y el 3% a remanufacturar piezas y equipos de repuesto desgastados por el uso y el desgaste.
• Aprovechando las nuevas tecnologías de reducción de la fricción y protección contra el desgaste, las pérdidas de energía debidas a la fricción y al desgaste en vehículos, maquinaria y otros equipos podrían reducirse en un 40% a largo plazo (15 años) y en un 18% a corto plazo (8 años) en todo el mundo. A escala mundial, estos ahorros ascenderían al 1,4% del PIB anual y al 8,7% del consumo total de energía a largo plazo.
• Los mayores ahorros de energía a corto plazo se prevén en el transporte (25%) y en la generación de energía (20%), mientras que los ahorros potenciales en los sectores manufacturero y residencial se estiman en alrededor del 10%. A largo plazo, los ahorros serían del 55%, 40%, 25% y 20%, respectivamente.
• La aplicación de tecnologías tribológicas avanzadas también puede reducir las emisiones globales de dióxido de carbono en hasta 1.460 millones de toneladas de dióxido de carbono equivalente (MtCO2 ₎ y generar un ahorro de costes de 450.000 millones de euros a corto plazo. A largo plazo, la reducción podría alcanzar los 3.140 MtCO2 _y el ahorro de costes, 970.000 millones de euros.

La tribología clásica, que abarca aplicaciones como cojinetes de bolas, transmisiones por engranajes, embragues, frenos, etc., se desarrolló en el contexto de la ingeniería mecánica, pero en las últimas décadas la tribología se ha expandido a campos de aplicación cualitativamente nuevos, en particular la micro y la nanotecnología, así como la biología y la medicina. ^[16]

Conceptos fundamentales

Tribosistema

El concepto de tribosistemas se utiliza para proporcionar una evaluación detallada de las entradas, salidas y pérdidas relevantes para los sistemas tribológicos. El conocimiento de estos parámetros permite a los tribólogos diseñar procedimientos de prueba para sistemas tribológicos.

Película tribo

Las tribopelículas son películas delgadas que se forman sobre superficies sometidas a tensiones tribológicas y desempeñan un papel importante en la reducción de la fricción y el desgaste en sistemas tribológicos.

Curva de Stribeck

La curva de Stribeck muestra cómo la fricción en los contactos lubricados con fluido es una función no lineal de la viscosidad del lubricante , la velocidad de arrastre y la carga de contacto.

Física

Fricción

La palabra fricción proviene del latín “frictionem”, que significa frotamiento. Este término se utiliza para describir todos aquellos fenómenos disipativos, capaces de producir calor y de oponerse al movimiento relativo entre dos superficies. Existen dos tipos principales de fricción:

Fricción estática

Que ocurre entre superficies en un estado fijo o relativamente estacionario.

Fricción dinámica

Que ocurre entre superficies en movimiento relativo.

El estudio de los fenómenos de fricción es un estudio predominantemente empírico y no permite llegar a resultados precisos, sino sólo a conclusiones aproximadas útiles. Esta imposibilidad de obtener un resultado definitivo se debe a la extrema complejidad del fenómeno. Si se estudia más de cerca presenta nuevos elementos que, a su vez, hacen aún más compleja la descripción global. ^[17]

Leyes de fricción

Todas las teorías y estudios sobre la fricción se pueden simplificar en tres leyes principales, que son válidas en la mayoría de los casos:

Primera ley de Amontons

La fuerza de fricción es directamente proporcional a la carga normal.

Segunda ley de Amontons

La fricción es independiente del área aparente de contacto.

Tercera ley de Coulomb

La fricción dinámica es independiente de la velocidad de deslizamiento relativa.

Coulomb encontró posteriormente desviaciones de las leyes de Amontons en algunos casos. ^[6] En sistemas con campos de tensión no uniformes significativos, las leyes de Amontons no se satisfacen macroscópicamente porque el deslizamiento local ocurre antes de que todo el sistema se deslice. ^[18]

Fricción estática

Consideremos un bloque de cierta masa m, colocado en posición quieta sobre un plano horizontal. Para que se quiera mover el bloque se debe aplicar una fuerza externa, de esta manera observamos una cierta resistencia al movimiento dada por una fuerza igual y opuesta a la fuerza aplicada, que es precisamente la fuerza de rozamiento estático . ^[19] ${\displaystyle {\vec {F}}_{out}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$

Al aumentar continuamente la fuerza aplicada, obtenemos un valor tal que el bloque comienza a moverse instantáneamente. En este punto, teniendo en cuenta también las dos primeras leyes de fricción enunciadas anteriormente, es posible definir la fuerza de fricción estática como una fuerza igual en módulo a la fuerza mínima necesaria para provocar el movimiento del bloque, y el coeficiente de fricción estática como el cociente de la fuerza de fricción estática . y la fuerza normal al bloque , obteniendo ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {N}}}$ $${\displaystyle {\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Fricción dinámica

Una vez que el bloque se ha puesto en movimiento, el bloque experimenta una fuerza de rozamiento de menor intensidad que la fuerza de rozamiento estático . La fuerza de rozamiento durante el movimiento relativo se conoce como fuerza de rozamiento dinámico . En este caso es necesario tener en cuenta no sólo las dos primeras leyes de Amontons, sino también la ley de Coulomb, para poder afirmar que la relación entre fuerza de rozamiento dinámico , coeficiente de rozamiento dinámico k y fuerza normal N es la siguiente: ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$ $${\displaystyle \left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Coeficiente de fricción estática y dinámica

Coeficiente dinámico y estático

En este punto es posible resumir las principales propiedades de los coeficientes de fricción estática y dinámica . ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle k}$

Estos coeficientes son cantidades adimensionales, dadas por la relación entre la intensidad de la fuerza de fricción y la intensidad de la carga aplicada , dependiendo del tipo de superficies que intervienen en un contacto mutuo, y en cualquier caso, siempre es válida la condición tal que: . ${\displaystyle {\vec {F}}_{f}}$ ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle \mu >k}$

Generalmente, el valor de ambos coeficientes no supera la unidad y puede considerarse constante sólo dentro de ciertos rangos de fuerzas y velocidades, fuera de los cuales existen condiciones extremas que modifican dichos coeficientes y variables.

En sistemas con campos de tensión no uniformes significativos, el coeficiente de fricción estática macroscópica depende de la presión externa, el tamaño del sistema o la forma porque el deslizamiento local ocurre antes de que el sistema se deslice. ^[18]

La siguiente tabla muestra los valores de los coeficientes de fricción estática y dinámica para materiales comunes:

Fricción por rodadura

fricción de rodadura

En el caso de los cuerpos capaces de rodar, existe un tipo particular de rozamiento, en el que no se produce el fenómeno de deslizamiento, propio del rozamiento dinámico, sino que además existe una fuerza que se opone al movimiento, lo que también excluye el caso del rozamiento estático. Este tipo de rozamiento se denomina rozamiento de rodadura. Ahora queremos observar en detalle lo que le ocurre a una rueda que rueda sobre un plano horizontal. Inicialmente la rueda está inmóvil y las fuerzas que actúan sobre ella son la fuerza del peso y la fuerza normal dada por la respuesta al peso del suelo. ${\displaystyle m{\vec {g}}}$ ${\displaystyle {\vec {N}}}$

En este punto la rueda se pone en movimiento, produciéndose un desplazamiento en el punto de aplicación de la fuerza normal que ahora se aplica delante del centro de la rueda, a una distancia b , que es igual al valor del coeficiente de rozamiento por rodadura. La oposición al movimiento se produce por la separación de la fuerza normal y la fuerza del peso en el momento exacto en el que se inicia el rodamiento, por lo que el valor del par dado por la fuerza de rozamiento por rodadura es Lo que ocurre en detalle a nivel microscópico entre la rueda y la superficie de apoyo se describe en la Figura, donde es posible observar cuál es el comportamiento de las fuerzas de reacción del plano deformado actuando sobre una rueda inmóvil. $${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$

El giro continuo de la rueda provoca deformaciones imperceptibles en el plano y, una vez pasado a un punto posterior, el plano vuelve a su estado inicial. En la fase de compresión el plano se opone al movimiento de la rueda, mientras que en la fase de descompresión aporta una contribución positiva al movimiento.

La fuerza de rozamiento por rodadura depende, por tanto, de las pequeñas deformaciones sufridas por la superficie de apoyo y por la propia rueda, y puede expresarse como , donde es posible expresar b en relación con el coeficiente de rozamiento por deslizamiento como , siendo r el radio de la rueda. ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\textstyle b={\mu v \over r}}$

Las superficies

Profundizando aún más, es posible estudiar no sólo la superficie más externa del metal, sino también los estados inmediatamente más internos, vinculados a la historia del metal, a su composición y a los procesos de elaboración por los que ha pasado este último.

Es posible dividir el metal en cuatro capas diferentes:

1. Estructura cristalina: estructura básica del metal, forma interior en masa;
2. Capa mecanizada – capa que también puede tener inclusiones de material extraño y que se deriva de los procesos de procesamiento a los que ha sido sometido el metal;
3. Capa endurecida – tiene una estructura cristalina de mayor dureza que las capas internas, gracias al rápido enfriamiento al que son sometidas en los procesos de trabajo;
4. Capa exterior o capa de óxido: capa que se crea debido a la interacción química con el entorno del metal y a la deposición de impurezas.

La capa de óxidos e impurezas (tercer cuerpo) tiene una importancia tribológica fundamental, de hecho suele contribuir a reducir la fricción. Otro hecho de importancia fundamental en lo que respecta a los óxidos es que si se pudiese limpiar y alisar la superficie con el fin de obtener una “superficie metálica” pura, lo que observaríamos es la unión de las dos superficies en contacto. De hecho, en ausencia de capas delgadas de contaminantes, los átomos del metal en cuestión, no son capaces de distinguir un cuerpo de otro, pasando así a formar un único cuerpo si se ponen en contacto.

El origen de la fricción

El contacto entre superficies está formado por una gran cantidad de regiones microscópicas, en la literatura denominadas asperezas o uniones de contacto, donde se produce el contacto átomo a átomo. El fenómeno de fricción, y por tanto de disipación de energía, se debe precisamente a las deformaciones que sufren dichas regiones debido a la carga y al movimiento relativo. Se pueden observar deformaciones plásticas, elásticas o de ruptura:

• Deformaciones plásticas: deformaciones permanentes de la forma de las protuberancias;
• Deformaciones elásticas: deformaciones en las que la energía gastada en la fase de compresión se recupera casi totalmente en la fase de descompresión (histéresis elástica);
• Deformaciones de rotura: deformaciones que provocan la rotura de protuberancias y la creación de nuevas zonas de contacto.

La energía que se disipa durante el fenómeno se transforma en calor, aumentando así la temperatura de las superficies en contacto. El aumento de temperatura también depende de la velocidad relativa y de la rugosidad del material, pudiendo ser tan elevado que incluso provoque la fusión de los materiales implicados.

En los fenómenos de fricción, la temperatura es fundamental en muchos ámbitos de aplicación. Por ejemplo, un aumento de la temperatura puede provocar una reducción brusca del coeficiente de fricción y, en consecuencia, de la eficacia de los frenos.

La teoría de la cohesión

La teoría de la adhesión plantea que en el caso de asperezas esféricas en contacto entre sí, sometidas a una carga, se observa una deformación, que, al aumentar la carga, pasa de una deformación elástica a una plástica. Este fenómeno supone una ampliación del área real de contacto , que por este motivo se puede expresar como: donde D es la dureza del material definible como la carga aplicada dividida por el área de la superficie de contacto. ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle A_{r}}$ $${\displaystyle A_{r}={{\vec {W}} \over D}}$$

Si en este punto las dos superficies se deslizan entre sí, se observa una resistencia al esfuerzo cortante t , dada por la presencia de uniones adhesivas, que se crearon precisamente a causa de las deformaciones plásticas, y por lo tanto la fuerza de fricción estará dada por En este punto, dado que el coeficiente de fricción es la relación entre la intensidad de la fuerza de fricción y la de la carga aplicada, es posible afirmar que por lo tanto se relaciona con las dos propiedades del material: resistencia al esfuerzo cortante t y dureza. Para obtener coeficientes de fricción de bajo valor es posible recurrir a materiales que requieran un esfuerzo cortante menor, pero que también sean muy duros. En el caso de los lubricantes, de hecho, utilizamos un sustrato de material con un esfuerzo cortante t bajo , colocado sobre un material muy duro. $${\displaystyle {\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}}$$ $${\displaystyle \mu ={t \over D}}$$ ${\displaystyle \mu }$

La fuerza que actúa entre dos sólidos en contacto no solo tendrá componentes normales, como se ha implicado hasta ahora, sino que también tendrá componentes tangenciales. Esto complica aún más la descripción de las interacciones entre la rugosidad, porque debido a este componente tangencial la deformación plástica viene con una carga menor que cuando se ignora este componente. Una descripción más realista del área de cada unión individual que se crea se da con una fuerza constante y una "tangente" aplicada a la unión. $${\displaystyle {A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}}$$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{i}}$

Para obtener consideraciones aún más realistas, también se debe considerar el fenómeno del tercer cuerpo, es decir, la presencia de materiales extraños, como humedad, óxidos o lubricantes, entre los dos sólidos en contacto. A continuación, se introduce un coeficiente c que es capaz de correlacionar la resistencia al corte t del "material" puro y la del tercer cuerpo con 0 < c < 1. ${\displaystyle t_{t.b.}}$ $${\displaystyle t=c\cdot t_{t.b.}}$$

Estudiando el comportamiento en los límites se verá que para c = 0, t = 0 y para c = 1 se vuelve a la condición en la que las superficies están en contacto directo y no hay presencia de un tercer cuerpo. Teniendo en cuenta lo que se acaba de decir, es posible corregir la fórmula del coeficiente de fricción de la siguiente manera: En conclusión, se considera el caso de cuerpos elásticos en interacción entre sí. $${\displaystyle \mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}}$$

De manera similar a lo que acabamos de ver, es posible definir una ecuación del tipo donde, en este caso, K depende de las propiedades elásticas de los materiales. También para los cuerpos elásticos la fuerza tangencial depende del coeficiente c visto anteriormente, y será así y por tanto se podrá obtener una descripción bastante exhaustiva del coeficiente de rozamiento. $${\displaystyle A=K{\vec {W}}}$$ $${\displaystyle {\vec {F}}_{T}=cAs}$$ $${\displaystyle \mu =cKs}$$

Mediciones de fricción

El método más sencillo e inmediato para evaluar el coeficiente de rozamiento de dos superficies es la utilización de un plano inclinado sobre el que se hace deslizar un bloque de material. Como se puede observar en la figura, la fuerza normal del plano viene dada por , mientras que la fuerza de rozamiento es igual a . Esto nos permite afirmar que el coeficiente de rozamiento se puede calcular muy fácilmente, mediante la tangente del ángulo en el que el bloque empieza a deslizarse. De hecho tenemos Luego del plano inclinado pasamos a sistemas más sofisticados, que permiten considerar todas las posibles condiciones ambientales en las que se realiza la medición, como la máquina de rodillos cruzados o la máquina de pasadores y discos. Hoy en día existen máquinas digitales como el “Friction Tester” que permite, mediante un apoyo de software, insertar todas las variables deseadas. Otro proceso muy utilizado es el ensayo de compresión de anillo. Se deforma plásticamente un anillo plano del material a estudiar mediante una prensa, si la deformación es una expansión tanto en el círculo interior como en el exterior, entonces se tendrán coeficientes de rozamiento bajos o nulos. De lo contrario, para una deformación que se expande solo en el círculo interior, habrá coeficientes de fricción crecientes. ${\displaystyle mg\cos \theta }$ ${\displaystyle mg\sin \theta }$ $${\displaystyle \mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta }$$

Lubricación

Para reducir la fricción entre superficies y mantener el desgaste bajo control, se utilizan materiales llamados lubricantes . ^[20] A diferencia de lo que se podría pensar, no se trata solo de aceites o grasas, sino de cualquier material fluido que se caracteriza por su viscosidad, como el aire y el agua. Por supuesto, algunos lubricantes son más adecuados que otros, dependiendo del tipo de uso al que estén destinados: el aire y el agua, por ejemplo, están fácilmente disponibles, pero el primero solo se puede utilizar en condiciones limitadas de carga y velocidad, mientras que el segundo puede contribuir al desgaste de los materiales.

Lo que se pretende conseguir mediante estos materiales es una lubricación fluida perfecta, o bien una lubricación tal que sea posible evitar el contacto directo entre las superficies en cuestión, intercalando una película lubricante entre ellas. Para ello existen dos posibilidades, en función del tipo de aplicación, de los costes a abordar y del nivel de “perfección” de la lubricación que se desee conseguir, se puede elegir entre:

• Lubricación fluidostática (o hidrostática en el caso de aceites minerales) – que consiste en la inserción de material lubricante bajo presión entre las superficies en contacto;
• Lubricación por fluidos (o hidrodinámica): consiste en aprovechar el movimiento relativo entre las superficies para hacer penetrar el material lubricante.

Viscosidad

La viscosidad es el equivalente a la fricción en los fluidos, describe, de hecho, la capacidad de los fluidos para resistir las fuerzas que provocan un cambio de forma.

Gracias a los estudios de Newton se ha logrado una comprensión más profunda del fenómeno. De hecho, él introdujo el concepto de flujo laminar : "un flujo en el que la velocidad cambia de capa a capa". Es posible dividir idealmente un fluido entre dos superficies ( , ) de área A, en varias capas. ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$

La capa en contacto con la superficie , que se mueve con una velocidad v debido a una fuerza aplicada F , tendrá la misma velocidad que v de la losa, mientras que cada capa inmediatamente siguiente variará esta velocidad en una cantidad dv , hasta la capa en contacto con la superficie inmóvil , que tendrá velocidad cero. ${\displaystyle S_{2}}$ ${\displaystyle S_{1}}$

De lo dicho, es posible afirmar que la fuerza F , necesaria para provocar un movimiento de rodadura en un fluido contenido entre dos placas, es proporcional al área de las dos superficies y al gradiente de velocidad: En este punto podemos introducir una constante proporcional , que corresponde al coeficiente de viscosidad dinámica del fluido, para obtener la siguiente ecuación, conocida como ley de Newton La velocidad varía en la misma cantidad dv de capa en capa y entonces se da la condición de que dv / dy = v / L , donde L es la distancia entre las superficies y , y entonces podemos simplificar la ecuación escribiendo La viscosidad es alta en fluidos que se oponen fuertemente al movimiento, mientras que está contenida para fluidos que fluyen fácilmente. $${\displaystyle F\propto A{dv \over dy}}$$ ${\displaystyle \mu }$ $${\displaystyle F=\mu A{dv \over dy}}$$ ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$ $${\displaystyle F=\mu A{v \over L}}$$ ${\displaystyle \mu }$

Para determinar qué tipo de flujo se encuentra en estudio, observamos su número de Reynolds. Esta es una constante que depende de la masa del fluido, de su viscosidad y del diámetro L del tubo en el que fluye el fluido. Si el número de Reynolds es relativamente bajo, entonces hay un flujo laminar, mientras que para un flujo turbulento. $${\displaystyle Re={{\rho Lv} \over \mu }}$$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle Re\simeq 2000}$

Para concluir queremos subrayar que es posible dividir los fluidos en dos tipos según su viscosidad:

1. Fluidos newtonianos , o fluidos en los que la viscosidad es una función únicamente de la temperatura y la presión del fluido y no del gradiente de velocidad;
2. Fluidos no newtonianos o fluidos en los que la viscosidad también depende del gradiente de velocidad.

Viscosidad en función de la temperatura y la presión

La temperatura y la presión son dos factores fundamentales a tener en cuenta a la hora de elegir un lubricante en lugar de otro. Considere inicialmente los efectos de la temperatura.

Hay tres causas principales de variación de temperatura que pueden afectar el comportamiento del lubricante:

• Condiciones climáticas;
• Factores térmicos locales (como en los motores de automóviles o las bombas de refrigeración);
• Disipación de energía debido al roce entre superficies.

Para clasificar los diferentes lubricantes según su comportamiento de viscosidad en función de la temperatura, en 1929 Dean y Davis introdujeron el índice de viscosidad (IV). Estos asignaron al mejor lubricante disponible en ese momento, es decir, el aceite de Pensilvania, el índice de viscosidad 100, y al peor, el aceite americano de la Costa del Golfo, el valor 0. Para determinar el valor del índice de aceite intermedio, se utiliza el siguiente procedimiento: se eligen dos aceites de referencia de modo que el aceite en cuestión tenga la misma viscosidad a 100 °C, y se utiliza la siguiente ecuación para determinar el índice de viscosidad. Este proceso tiene algunas desventajas: $${\displaystyle V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100}$$

• Para mezclas de aceites los resultados no son exactos;
• No hay información si estás fuera del rango de temperatura fijo;
• Con el avance de las tecnologías, se han obtenido aceites con VI superior a 100, que no pueden describirse mediante el método anterior.

En el caso de aceites con VI superior a 100 se puede utilizar una relación diferente que permite obtener resultados exactos donde, en este caso, H es la viscosidad a 100 °F (38 °C) del aceite con VI = 100 y v es la viscosidad cinemática del aceite en estudio a 210 °F (99 °C). $${\displaystyle V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100}$$ $${\displaystyle N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}}$$

Podemos decir, por tanto, en conclusión, que un aumento de temperatura conlleva una disminución de la viscosidad del aceite. También es útil tener en cuenta que, de la misma forma, un aumento de presión implica un aumento de viscosidad. Para evaluar los efectos de la presión sobre la viscosidad se utiliza la siguiente ecuación donde es el coeficiente de viscosidad a presión p, es el coeficiente de viscosidad a presión atmosférica y es una constante que describe la relación entre la viscosidad y la presión. $${\displaystyle \mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}}$$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \mu _{0}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Medidas de viscosidad

Para determinar la viscosidad de un fluido se utilizan viscosímetros que se pueden dividir en 3 categorías principales:

• Viscosímetros capilares, en los que la viscosidad del fluido se mide deslizándolo dentro de un tubo capilar;
• Viscosímetros de gota sólida, en los que la viscosidad se mide calculando la velocidad de un sólido que se mueve en el fluido;
• Viscosímetros rotacionales, en los que la viscosidad se obtiene evaluando el flujo de fluido colocado entre dos superficies en movimiento relativo.

Los dos primeros tipos de viscosímetros se utilizan principalmente para fluidos newtonianos, mientras que el tercero es muy versátil.

Tener puesto

El desgaste es la eliminación progresiva e involuntaria de material de una superficie en movimiento relativo con otra o con un fluido. Podemos distinguir dos tipos diferentes de desgaste: desgaste moderado y desgaste severo. El primer caso se refiere a cargas bajas y superficies lisas, mientras que el segundo se refiere a cargas significativamente más altas y superficies compatibles y rugosas, en las que los procesos de desgaste son mucho más violentos. El desgaste juega un papel fundamental en los estudios tribológicos, ya que provoca cambios en la forma de los componentes utilizados en la construcción de maquinaria (por ejemplo). Estas piezas desgastadas deben ser reemplazadas y esto conlleva tanto un problema de naturaleza económica, debido al costo de reemplazo, como un problema funcional, ya que si estos componentes no se reemplazan a tiempo, podrían producirse daños más graves en la máquina en su conjunto. Este fenómeno, sin embargo, no solo tiene lados negativos, de hecho, a menudo se utiliza para reducir la rugosidad de algunos materiales, eliminando las asperezas. Erróneamente tendemos a imaginar el desgaste en una correlación directa con la fricción, en realidad estos dos fenómenos no pueden conectarse fácilmente. Pueden existir condiciones tales que una baja fricción pueda dar lugar a un desgaste significativo y viceversa. Para que este fenómeno se produzca se requieren unos tiempos de ejecución determinados, que pueden cambiar en función de algunas variables, como la carga, la velocidad, la lubricación y las condiciones ambientales, y existen diferentes mecanismos de desgaste, que pueden presentarse simultáneamente o incluso combinados entre sí:

1. Desgaste adhesivo;
2. Desgaste abrasivo;
3. Desgaste por fatiga;
4. Desgaste corrosivo;
5. Desgaste por roce o desgaste;
6. Desgaste por erosión;
7. Otros fenómenos de desgaste menores (desgaste por impacto, cavitación, desgaste-fusión, desgaste-extensión).

Desgaste adhesivo

Como se sabe, el contacto entre dos superficies se produce a través de la interacción entre asperezas. ^[21] Si se aplica una fuerza de cizallamiento en la zona de contacto, puede ser posible desprender una pequeña parte del material más débil, debido a su adhesión a la superficie más dura. Lo que se describe es precisamente el mecanismo del desgaste adhesivo representado en la figura. Este tipo de desgaste es muy problemático, ya que implica altas velocidades de desgaste, pero al mismo tiempo es posible reducir la adhesión mediante el aumento de la rugosidad superficial y la dureza de las superficies involucradas, o mediante la inserción de capas de contaminantes como oxígeno, óxidos, agua o aceites. En conclusión, el comportamiento del volumen de desgaste adhesivo se puede describir mediante tres leyes principales.

Ley 1 – Distancia

La masa involucrada en el desgaste es proporcional a la distancia recorrida en el roce entre las superficies.

Ley 2 – Carga

La masa involucrada en el desgaste es proporcional a la carga aplicada.

Ley 3 – Dureza

La masa involucrada en el desgaste es inversamente proporcional a la dureza del material menos duro.

Un aspecto importante del desgaste es la emisión de partículas de desgaste al medio ambiente, lo que supone una amenaza cada vez mayor para la salud humana y la ecología. El primer investigador que investigó este tema fue Ernest Rabinowicz . ^[22]

Desgaste abrasivo

El desgaste abrasivo consiste en el esfuerzo de corte de superficies duras que actúan sobre superficies más blandas y puede ser causado bien por la rugosidad que a medida que las puntas cortan el material contra el que rozan (desgaste abrasivo de dos cuerpos), bien por partículas de material duro que se interponen entre dos superficies en movimiento relativo (desgaste abrasivo de tres cuerpos). A niveles de aplicación, el desgaste de dos cuerpos se elimina fácilmente mediante un acabado superficial adecuado, mientras que el desgaste de tres cuerpos puede traer serios problemas y por ello debe ser eliminado en la medida de lo posible mediante filtros adecuados, incluso antes de un diseño de máquina ponderado.

Desgaste por fatiga

El desgaste por fatiga es un tipo de desgaste que se produce por cargas alternas, que provocan fuerzas de contacto locales repetidas en el tiempo, que a su vez conducen al deterioro de los materiales implicados. El ejemplo más inmediato de este tipo de desgaste es el de un peine. Si se desliza un dedo sobre los dientes del peine una y otra vez, se observa que en algún momento uno o más dientes del peine se desprenden. Este fenómeno puede conducir a la rotura de las superficies por causas mecánicas o térmicas. El primer caso es el descrito anteriormente en el que una carga repetida provoca tensiones de contacto elevadas. El segundo caso, en cambio, es provocado por la dilatación térmica de los materiales implicados en el proceso. Para reducir este tipo de desgaste, por tanto, es bueno intentar disminuir tanto las fuerzas de contacto como los ciclados térmicos, es decir la frecuencia con la que intervienen las diferentes temperaturas. Para obtener resultados óptimos también es bueno eliminar, en la medida de lo posible, las impurezas entre superficies, los defectos locales y las inclusiones de materiales extraños en los cuerpos implicados.

Desgaste corrosivo

El desgaste corrosivo se produce en presencia de metales que se oxidan o corroen. Cuando las superficies de metales puros entran en contacto con el medio circundante, se crean películas de óxido en sus superficies a causa de los contaminantes presentes en el propio medio, como agua, oxígeno o ácidos. Estas películas se eliminan continuamente de los mecanismos de desgaste abrasivo y adhesivo, recreados continuamente por las interacciones metal puro-contaminante. Evidentemente este tipo de desgaste se puede reducir intentando crear un entorno 'ad hoc', libre de contaminantes y sensible a cambios térmicos mínimos. El desgaste corrosivo también puede ser positivo en algunas aplicaciones. De hecho, los óxidos que se crean, contribuyen a disminuir el coeficiente de fricción entre las superficies, o, al ser en muchos casos más duros que el metal al que pertenecen, pueden utilizarse como excelentes abrasivos.

Desgaste por roce o desgaste

El desgaste por rozamiento se produce en sistemas sometidos a vibraciones más o menos intensas, que provocan movimientos relativos entre las superficies en contacto del orden de los nanómetros. Estos movimientos relativos microscópicos provocan tanto un desgaste adhesivo, provocado por el propio desplazamiento, como un desgaste abrasivo, provocado por las partículas producidas en la fase adhesiva, que quedan atrapadas entre las superficies. Este tipo de desgaste puede verse acelerado por la presencia de sustancias corrosivas y el aumento de la temperatura. ^[23]

Desgaste por erosión

El desgaste por erosión se produce cuando partículas libres, que pueden ser sólidas o líquidas, chocan contra una superficie, provocando abrasión. Los mecanismos que intervienen son de diversa índole y dependen de ciertos parámetros, como el ángulo de impacto, el tamaño de las partículas, la velocidad de impacto y el material del que están compuestas las partículas.

Factores que afectan el desgaste

Entre los principales factores que influyen en el desgaste encontramos

• Dureza
• Solubilidad mutua
• Estructura cristalina

Se ha comprobado que cuanto más duro es un material, más disminuye su desgaste. Del mismo modo, cuanto menos solubles sean entre sí dos materiales, más tiende a disminuir el desgaste. Por último, en lo que se refiere a la estructura cristalina, es posible afirmar que algunas estructuras son más adecuadas para resistir el desgaste de otras, como por ejemplo una estructura hexagonal con una distribución compacta, que sólo puede deformarse deslizándose a lo largo de los planos de base.

Tasa de desgaste

Para evaluar los daños causados ​​por el desgaste, se utiliza un coeficiente adimensional denominado índice de desgaste, que se obtiene a partir de la relación entre el cambio de altura de la carrocería y la longitud del deslizamiento relativo . Este coeficiente permite subdividir, en función de su magnitud, los daños que sufren los distintos materiales en diferentes situaciones, pasando de un grado de desgaste modesto, pasando por uno medio, hasta un grado de desgaste severo. ${\displaystyle \Delta h}$ ${\displaystyle \Delta l}$ $${\displaystyle T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}}$$

En cambio, para expresar el volumen de desgaste V es posible utilizar la ecuación de Holm

• ${\displaystyle V=k{W \over H}l}$(para desgaste adhesivo)
• ${\displaystyle V=k_{a}{W \over H}l}$(para desgaste abrasivo)

donde W/H representa el área de contacto real, l la longitud de la distancia recorrida y k y son factores dimensionales experimentales. ${\displaystyle k_{a}}$

Medición del desgaste

En las mediciones experimentales del desgaste de los materiales, a menudo es necesario recrear tasas de desgaste bastante pequeñas y acelerar los tiempos. Los fenómenos, que en realidad se desarrollan después de años, en el laboratorio deben ocurrir después de algunos días. Una primera evaluación de los procesos de desgaste es una inspección visual del perfil superficial del cuerpo en estudio, incluyendo una comparación antes y después de la aparición del fenómeno de desgaste. En este primer análisis se observan las posibles variaciones de la dureza y de la geometría superficial del material. Otro método de investigación es el del trazador radiactivo, utilizado para evaluar el desgaste a niveles macroscópicos. Uno de los dos materiales en contacto, involucrados en un proceso de desgaste, se marca con un trazador radiactivo. De esta manera, las partículas de este material, que serán eliminadas, serán fácilmente visibles y accesibles. Finalmente, para acelerar los tiempos de desgaste, una de las técnicas más conocidas utilizadas es la de los ensayos de contacto a alta presión. En este caso, para obtener los resultados deseados es suficiente aplicar la carga sobre una superficie de contacto muy reducida.

Aplicaciones

Transporte y manufactura

Históricamente, la investigación tribológica se ha centrado en el diseño y la lubricación eficaz de los componentes de las máquinas, en particular de los cojinetes . Sin embargo, el estudio de la tribología se extiende a la mayoría de los aspectos de la tecnología moderna y cualquier sistema en el que un material se desliza sobre otro puede verse afectado por interacciones tribológicas complejas. ^[24]

Tradicionalmente, la investigación tribológica en la industria del transporte se centraba en la fiabilidad, garantizando el funcionamiento seguro y continuo de los componentes de las máquinas. Hoy en día, debido a un mayor enfoque en el consumo de energía , la eficiencia se ha vuelto cada vez más importante y, por lo tanto, los lubricantes se han vuelto progresivamente más complejos y sofisticados para lograrlo. ^[24] La tribología también juega un papel importante en la fabricación . Por ejemplo, en las operaciones de conformado de metales, la fricción aumenta el desgaste de la herramienta y la potencia necesaria para trabajar una pieza. Esto da como resultado un aumento de los costos debido a un reemplazo más frecuente de la herramienta, pérdida de tolerancia a medida que cambian las dimensiones de la herramienta y mayores fuerzas necesarias para dar forma a una pieza.

El uso de lubricantes que minimizan el contacto directo con la superficie reduce el desgaste de la herramienta y los requisitos de potencia. ^[25] También es necesario conocer los efectos de la fabricación, todos los métodos de fabricación dejan una huella única del sistema (es decir, la topografía de la superficie ) que influirá en el tribocontacto (por ejemplo, la formación de la película lubricante).

Investigación

Campos

Tribología de sistemas abiertos: contacto rueda-carril en invierno

La investigación en tribología abarca desde la escala macro hasta la nano , en áreas tan diversas como el movimiento de las placas continentales y los glaciares hasta la locomoción de animales e insectos. ^[24] La investigación en tribología se concentra tradicionalmente en los sectores del transporte y la fabricación , pero se ha diversificado considerablemente. La investigación en tribología se puede dividir en los siguientes campos (con cierta superposición):

• La tribología clásica se ocupa de la fricción y el desgaste en elementos de máquinas (como cojinetes de elementos rodantes , engranajes , cojinetes lisos , frenos , embragues , ruedas y cojinetes de fluido ), así como de los procesos de fabricación (como el conformado de metales ).
• La biotribología estudia la fricción , el desgaste y la lubricación en los sistemas biológicos. Este campo está ganando importancia a medida que aumenta la expectativa de vida humana. Las articulaciones de la cadera y la rodilla humanas son sistemas biotribológicos típicos. ^[26]
• La tribología verde tiene como objetivo minimizar el impacto ambiental de los sistemas tribológicos a lo largo de todo su ciclo de vida . En particular, la tribología verde tiene como objetivo reducir las pérdidas tribológicas (por ejemplo, fricción y desgaste ) utilizando tecnologías con un impacto ambiental mínimo. Esto contrasta con la tribología tradicional, donde los medios para reducir las pérdidas tribológicas no se evalúan de manera holística. ^[27]
• La geotribología estudia la fricción, el desgaste y la lubricación de los sistemas geológicos, como los glaciares y las fallas .
• La nanotribología estudia los fenómenos tribológicos a escala nanoscópica . El campo está adquiriendo cada vez mayor importancia a medida que los dispositivos se hacen más pequeños (por ejemplo, sistemas micro/nanoelectromecánicos, MEMS / NEMS ), y la investigación se ha visto facilitada por la invención de la microscopía de fuerza atómica .
• La tribología computacional tiene como objetivo modelar el comportamiento de los sistemas tribológicos a través de simulaciones multifísicas , combinando disciplinas como la mecánica de contacto , la mecánica de fracturas y la dinámica de fluidos computacional .
• La tribología espacial estudia los sistemas tribológicos que pueden funcionar en las condiciones ambientales extremas del espacio exterior . En particular, esto requiere lubricantes con baja presión de vapor que puedan soportar fluctuaciones extremas de temperatura.
• La tribología de sistemas abiertos estudia los sistemas tribológicos que están expuestos y afectados por el entorno natural .
• La triboinformática es una aplicación de métodos de Inteligencia Artificial , Aprendizaje Automático y Big Data a sistemas tribológicos. ^[28]

Recientemente, han surgido estudios intensivos sobre la superlubricidad (fenómeno de desaparición de la fricción) debido a la creciente demanda de ahorro energético. ^[29] Además, el desarrollo de nuevos materiales, como el grafeno y los líquidos iónicos , permite enfoques fundamentalmente nuevos para resolver problemas tribológicos . ^[30]

Sociedades

En la actualidad existen numerosas sociedades nacionales e internacionales, entre las que se incluyen: la Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación (STLE) en los EE. UU., la Institución de Ingenieros Mecánicos y el Instituto de Física (Grupo de Tribología IMechE, Grupo de Tribología IOP) en el Reino Unido, la Sociedad Alemana de Tribología (Gesellschaft für Tribologie), la Sociedad Coreana de Tribología (KTS), la Sociedad de Tribología de Malasia (MYTRIBOS), la Sociedad Japonesa de Tribólogos (JAST), la Sociedad de Tribología de la India (TSI), la Sociedad de Ingeniería Mecánica China (Instituto de Tribología Chino) y el Consejo Internacional de Tribología.

Enfoque de investigación

La investigación tribológica es mayoritariamente empírica, lo que se puede explicar por la gran cantidad de parámetros que influyen en la fricción y el desgaste en los contactos tribológicos. Por lo tanto, la mayoría de los campos de investigación dependen en gran medida del uso de tribómetros y procedimientos de prueba estandarizados, así como de bancos de pruebas a nivel de componentes.

Véase también

• Aditivo antidesgaste  : aditivos para lubricantes para evitar el contacto de metal con metal.
• Cojinete  : mecanismo para limitar el movimiento relativo al movimiento deseado y reducir la fricción.
• Soldadura en frío  : proceso de soldadura en el que la unión se produce sin fundir ni calentar la interfaz.
• Mecánica de contacto  – Estudio de la deformación de los sólidos que entran en contacto entre sí.
• Fretting  – Desgaste o daño en superficies cargadas
• Fricción  : Fuerza que resiste el movimiento deslizante
• Modificador de fricción  : aditivo lubricante para reducir la fricción y el desgaste.
• Agarrotamiento  : Forma de desgaste causada por la adherencia entre superficies deslizantes.
• Leonardo da Vinci  : erudito renacentista italiano (1452-1519)
• Lista de organizaciones de tribología
• Lubricante  : Sustancia introducida para reducir la fricción entre superficies en contacto mutuo.
• Lubricación  : La presencia de un material para reducir la fricción entre dos superficies.
• Aditivo de aceite  : compuestos químicos que mejoran el rendimiento lubricante del aceite base.
• Análisis de aceite  : análisis de laboratorio de las propiedades y contaminantes de un lubricante a base de aceite.
• Peter Jost  – Ingeniero mecánico británico (1921–2016)
• Fatiga por contacto rodante  – Mecanismo de deformación
• Esclerómetro  – Instrumento utilizado para medir la dureza de un material.
• Tribología espacial  : sistemas tribológicos para aplicaciones espaciales
• Ciencia de superficies  : estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases.
• Tribocorrosión  : Degradación del material debido a la corrosión y el desgaste.
• Tribómetro  – Instrumento que mide la fricción y el desgaste entre superficies
• Desgaste  : daño, eliminación gradual o deformación del material en superficies sólidas.
• Ditiofosfato de zinc  – Aditivo lubricante

Notas al pie

1. Theodor Reye era politécnico en Zúrich en 1860, pero más tarde se convirtió en profesor en Estrasburgo, según Moritz (1885) p. 535. ^[8]

Referencias

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Enlaces externos

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