Teoría de Adhesión. La teoría de adhesión trata de explicar los fenómenos macroscópicos que se aprecian en dos superficies en contacto:

Transcripción

1 Teoría de Adhesión La teoría de adhesión trata de explicar los fenómenos macroscópicos que se aprecian en dos superficies en contacto: Rozamiento Desgaste Adhesión El elemento fundamental de la teoría son las juntas, que permiten explicar la aparición del rozamiento y el desgaste. ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.1 -

2 Área real y área aparente de contacto (I) En dos sólidos en contacto se observan zonas separadas por distancias interatómicas. Estas zonas se denominan juntas y en ellas se presentan fuerzas de interacción. La suma del área de las juntas define el área real de contacto; el área aparente de contacto es mucho mayor. El cálculo del área real es muy complejo; puede calcularse un valor mínimo A r, asumiendo que la junta está en régimen plástico. ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.2 -

3 Se supone que la junta está sometida a un estado triaxial de tensiones, bajo la acción de la carga P n. La mayor tensión de compresión puede asimilarse por la dureza a penetración H. Un límite inferior del área real de contacto es: A r = Pn H Área real y área aparente de contacto (II) ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.3 -

4 Fricción según la Teoría de la Adhesión (I) En dos sólidos en contacto, al aplicar una fuerza tangencial P t se deberían romper las juntas. Si la tensión de cortadura media en las juntas es τ av, la fuerza tangencial viene dada por: P t = τ av A r P t es la fuerza de fricción ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.4 -

5 Fricción según la Teoría de la Adhesión (II) El límite superior de la tensión de cortadura τ av es límite de resistencia a cortadura del material más débil, dado por k. La fuerza de rozamiento es: P t = ka r El coeficiente de rozamiento se calcula como: P µ = P kar HA t = = n r k H ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -. -

6 Fricción según la Teoría de la Adhesión (III) De la ecuación anterior, se deduce que el coeficiente de rozamiento se define como la relación de dos parámetros del material más débil. El coeficiente de rozamiento es independiente de: la carga la velocidad de deslizamiento la rugosidad de las superficies la superficie aparente de contacto El coeficiente de rozamiento es constante (aunque puede estar afectado por factores de segundo orden) ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.6 -

7 Fricción según la Teoría de la Adhesión (IV) Las conclusiones anteriores son universalmente aceptadas. La teoría de la adhesión presenta algunos inconvenientes: La experiencia indica que el rozamiento no es independiente de la rugosidad de las superficies La teoría sólo es aplicable a materiales dúctiles Los valores de dureza de penetración H y resistencia a cortadura k no son independientes entre sí Para materiales y condiciones de trabajo habituales, las hipótesis de la teoría de la adhesión son aplicables ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.7 -

8 Fricción según la Teoría de la Adhesión (V) ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.8 -

9 Fricción según la Teoría de la Adhesión (VI) Características de la fuerza de cizalladura plástica proporcional al área cizallada independiente de la forma poco dependiente de la deformación si la fuerza no supera un límite, aparece una fuerza resistente si la fuerza supera un límite, se produce el deslizamiento Leyes de la fricción si no hay deslizamiento, el rozamiento es igual y opuesto a la fuerza aplicada si hay deslizamiento, el rozamiento alcanza un valor característico es proporcional a la carga normal es independiente del área de contacto el coeficiente de rozamiento no depende de la velocidad ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.9 -

10 Desgaste según la Teoría de la Adhesión (I) Se llama desgaste a la pérdida de material debido al contacto entre dos sólidos con deslizamiento relativo En el desgaste por adhesión se supone que existen partículas que se separan de una superficie y quedan adheridas a la otra El tratamiento cuantitativo de este fenómeno fue realizado por Archad; esta aproximación trata de cuantificar el volumen de material adherido por unidad de longitud de deslizamiento ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

11 Desgaste según la Teoría de la Adhesión (II) Hipótesis de partida Supone que los fragmentos desprendidos tienen forma de semiesfera de diámetro d Supone que d coincide con la distancia de existencia de una junta En la aproximación de Archad se consideran los siguientes parámetros n i : número de juntas en cualquier instante t N j : número de juntas formadas en un deslizamiento l N f : número de fragmentos formados ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

12 Desgaste según la Teoría de la Adhesión (III) Estos parámetros se calculan como: n N 4A = πd 4Pn = πd H r i 2 2 = n?l d j i 3 N f = KN i 4P?l n = πd H donde K es la constante de desgaste ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

13 Desgaste según la Teoría de la Adhesión (IV) El volumen desgastado por unidad de longitud es: 3?V N f πd 12 KPn = =?l?l 3H El número de partículas pérdidas viene dado por:?v γkpn =?l 3H donde γ es un factor de conversión ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

14 Desgaste abrasivo (I) Se denomina desgaste abrasivo al producido por una superficie dura al deslizar sobre otra superficie más blanda En este deslizamiento se crean surcos en la superficie blanda originando una pérdida de material Este tipo de desgaste puede producirse también por la existencia de una partícula dura atrapada entre dos superficies más blandas que deslizan entre sí En la cuantificación de este fenómeno se supone que la partícula abrasiva tiene forma cónica ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

15 Desgaste abrasivo (II) El volumen desprendido al deslizar la partícula abrasiva una longitud l es: 2?V = r tgθ?l donde tgθ es el ángulo del cono Considerando la expresión de la carga normal P n, se obtiene: 2 P n = πr H?V tgθpn =?l πh ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS -.1 -

16 Otros tipos de desgaste Desgaste corrosivo Se produce por un ataque químico sobre alguna de las superficies; el deslizamiento hace que se desprenda el material afectado Es difícil de cuantificar y debe estudiarse caso por caso Desgaste por fatiga Por efecto de las cargas alternadas (fatiga) se producen tensiones de cortadura en el interior del material, las cuales dan lugar a grietas que progresan hasta la superficie y producen un desconchamiento de la misma Es muy común en superficies sometidas a contacto de rodadura Corrosión por ludimiento Se origina por partículas que se oxidan y quedan atrapadas entre las superficies en contacto, actuando como agentes abrasivos Se presenta en superficies sometidas a elevadas cargas de compresión: piezas zunchadas, hojas de ballesta, etc. ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

17 Otras consideraciones El desgaste por adhesión puede reducirse si se emplean lubricantes entre las superficies en contacto; pueden lograrse reducciones de desgaste de varios órdenes de magnitud El desgaste abrasivo es poco sensible al uso de lubricantes; puede reducirse empleando superficies suaves y eliminando las partículas abrasivas Las expresiones cuantitativas del desgaste por adhesión y por abrasión son muy similares, aunque las constantes de la expresión son más elevadas en el desgaste abrasivo ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS