Teoría de Adhesión - Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional
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Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q Teoría de Adhesión La teoría de adhesión trata de explicar los fenómenos macroscópicos que se aprecian en dos superficies en contacto: q 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 - 5.1 5. 1 - J.M. Jiménez Bascones ðRozamiento ðDesgaste ðAdhesión Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN Área real y área aparente de contacto (I) En dos sólidos en contacto se observan zonas separadas por distancias interatómicas. q Estas zonas se denominan “juntas” y en ellas se presentan fuerzas de interacción. q La suma del área de las juntas define el “área real” de contacto; el “área aparente” de contacto es mucho mayor. q El cálculo del “área real” es muy complejo; puede calcularse un valor mínimo Ar, asumiendo que la junta está en régimen plástico. ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.2 5. 2 - J.M. Jiménez Bascones q Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q q Se supone que la junta está sometida a un estado triaxial de tensiones, bajo la acción de la carga Pn. La mayor tensión de compresión puede asimilarse por la dureza a penetración H. Un límite inferior del “área real” de contacto es: Ar = J.M. Jiménez Bascones q Área real y área aparente de contacto (II) Pn H ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.3 5. 3 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q q Fricción según la Teoría de la Adhesión (I) En dos sólidos en contacto, al aplicar una fuerza tangencial Pt se deberían romper las juntas. Si la tensión de cortadura media en las juntas es τav, la fuerza tangencial viene dada por: q J.M. Jiménez Bascones Pt = τ av Ar Pt es la fuerza de fricción ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.4 5. 4 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Fricción según la Teoría de la Adhesión (II) Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN El límite superior de la tensión de cortadura τav es límite de resistencia a cortadura del material más débil, dado por k. q La fuerza de rozamiento es: q Pt = kAr El coeficiente de rozamiento se calcula como: µ= Pt kAr k = = Pn HAr H ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS J.M. Jiménez Bascones q - 5.5 5. 5 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN 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. q El coeficiente de rozamiento es independiente de: q q J.M. Jiménez Bascones ðla carga ðla velocidad de deslizamiento ðla rugosidad de las superficies ðla 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 - 5.6 5. 6 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN Fricción según la Teoría de la Adhesión (IV) Las conclusiones anteriores son universalmente aceptadas. q La teoría de la adhesión presenta algunos inconvenientes: q q J.M. Jiménez Bascones ðLa experiencia indica que el rozamiento no es independiente de la rugosidad de las superficies ðLa teoría sólo es aplicable a materiales dúctiles ðLos 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 - 5.7 5. 7 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Fricción según la Teoría de la Adhesión (V) J.M. Jiménez Bascones Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.8 5. 8 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila q Fricción según la Teoría de la Adhesión (VI) Características de la fuerza de cizalladura plástica ð proporcional al área cizallada ð independiente de la forma ð poco dependiente de la deformación ð si la fuerza no supera un límite, aparece una fuerza resistente ð si la fuerza supera un límite, se produce el deslizamiento q Leyes de la fricción ð si no hay deslizamiento, el rozamiento es igual y opuesto a la fuerza aplicada ð si hay deslizamiento, el rozamiento alcanza un valor característico ð es proporcional a la carga normal ð es independiente del área de contacto ð el coeficiente de rozamiento no depende de la velocidad ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.9 5. 9 - J.M. Jiménez Bascones Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN 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 q En el desgaste por adhesión se supone que existen partículas que se separan de una superficie y quedan adheridas a la otra q 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 - 5.10 5. 10 - J.M. Jiménez Bascones q Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q Desgaste según la Teoría de la Adhesión (II) Hipótesis de partida ðSupone que los fragmentos desprendidos tienen forma de semiesfera de diámetro d ðSupone que d coincide con la distancia de existencia de una junta En la aproximación de Archad se consideran los siguientes parámetros ðni: número de juntas en cualquier instante t ðNj: número de juntas formadas en un deslizamiento ∆l ðNf: número de fragmentos formados ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS J.M. Jiménez Bascones q - 5.11 5. 11 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN Estos parámetros se calculan como: ni = 4 Ar 4 Pn = πd 2 πd 2 H ?l 4 Pn?l N j = ni = 3 d πd H N f = KN i J.M. Jiménez Bascones q Desgaste según la Teoría de la Adhesión (III) donde K es la constante de desgaste ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.12 5. 12 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q 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 J.M. Jiménez Bascones q donde γ es un factor de conversión ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.13 5. 13 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN Desgaste abrasivo (I) Se denomina desgaste abrasivo al producido por una superficie dura al deslizar sobre otra superficie más blanda q En este deslizamiento se crean surcos en la superficie blanda originando una pérdida de material q Este tipo de desgaste puede producirse también por la existencia de una partícula dura atrapada entre dos superficies más blandas que deslizan entre sí q 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 - 5.14 5. 14 - J.M. Jiménez Bascones q Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q Desgaste abrasivo (II) El volumen desprendido al deslizar la partícula abrasiva una longitud ∆l es: ?V = r 2 tg θ?l J.M. Jiménez Bascones q donde tgθ es el ángulo del cono Considerando la expresión de la carga normal Pn, se obtiene: Pn = πr 2 H ?V tg θPn = ?l πH ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y VIBRACIONES. Parte 1: ELEMENTOS DE MÁQUINAS - 5.15 5. 15 - Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN q Otros tipos de desgaste Desgaste corrosivo ð Se produce por un ataque químico sobre alguna de las superficies; el deslizamiento hace que se desprenda el material afectado ð Es difícil de cuantificar y debe estudiarse caso por caso q Desgaste por fatiga q Corrosión por ludimiento ð Se origina por partículas que se oxidan y quedan atrapadas entre las superficies en contacto, actuando como agentes abrasivos ð 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 - 5.16 5. 16 - J.M. Jiménez Bascones ð 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 ð Es muy común en superficies sometidas a contacto de rodadura Departamento Departamentode deIngeniería IngenieríaMecánica, Mecánica,Energética Energéticayyde deMateriales Materiales Ingeniaritza Ingeniaritza Mekanikoa, Mekanikoa,Energetikoa Energetikoaeta etaMaterialeen MaterialeenSaila Saila Tema 55 Tema TEORÍA DE ADHESIÓN TEORÍA DE ADHESIÓN 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 q El desgaste abrasivo es poco sensible al uso de lubricantes; puede reducirse empleando superficies suaves y eliminando las partículas abrasivas q 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 - 5.17 5. 17 - J.M. Jiménez Bascones q
