Módulo 11: Desgaste Archivo

Módulo
11
Daño superficial
Introducción
En los capítulos anteriores hemos tratado con
daños que ocurren dentro de las partes (fluencia,
fractura, deflexiones excesivas, pandeo). Además
de los anteriores, otros tipos de daños pueden
ocurrir sobre la superficie de las piezas, los cuales
pueden volverla inadecuada para su utilización.
Para comenzar la lista, la superficie puede
corroerse, ya sea en una atmósfera normal o en
alguna otra que sea más corrosiva tal como en un
medio-ambiente salino.
La corrosión superficial puede combinarse con
esfuerzos estáticos o de fatiga para producir una
acción más destructiva que aquella ocasionada
separadamente por la acción separada de los
factores individuales.
Las velocidades relativamente altas entre partes sólidas y partículas
líquidas pueden causar cavitación del líquido, la cual puede ser destructiva
sobre la superficie de la parte en cuestión.
Cuando dos miembros sólidos se presionan conjuntamente, se producen
esfuerzos de contacto, y los mismos requieren especial consideración.
Cuando las partes están en contacto deslizante, varios tipos de deterioro
pueden ocasionarse y en general se le llama desgaste. La severidad del
desgaste puede ser reducida mediante la utilización de lubricantes (aceites,
grasas o films sólidos) entre las superficies. La experiencia indica que la
mayoría de partes de máquinas fallan más por deterioro de su superficie
que por rotura. En un automóvil, por ejemplo, considere el rango de daños
superficiales representado por corrosión en caños de escape, corrosión en
carrocerías o fallas en aro de pistones, suspensiones, etc.
El costo económico de los daños
superficiales pueden ser muy importantes. A
modo de ejemplo el National Bureau of
Standards reportó al Congreso de EEUU que
los costos estimados anuales por corrosión y
desgaste fueron de US$ 70.000:000.000 y
US$ 20.000:000.000 respectivamente en
1978.
Corrosión
Es la degradación de un material (usualmente metálico) por una reacción química o
electroquímica con su entorno. La mayoría de las corrosiones resultan de la acción
electroquímica o galvánica.
Este es un fenómeno complejo (existen disciplinas especializadas en ingeniería de
corrosión)
La Figura 9.1 muestra un electrodo de hierro puro en un medio electrolito (portador
de iones, tal como agua fresca, agua salada, atmósfera húmeda, barro, etc.).
Los iones cargados positivamente Fe 2+ van hacia dentro de la solución, dejando un
exceso de electrones (i.e., una carga negativa) sobre el electrodo de Fe. Cuando es
alcanzado un equilibrio en el potencial del electrodo no tendrá lugar otra acción
electrolítica.
Heterogeneidad entre electrodo y electrolito
Hasta aquí se asumió que tanto los electrodos como el electrolito eran homogéneos.
Muchas de las situaciones reales de corrosión se desvían sustancialmente de esta
condición «ideal», y dichos desvíos afectan la naturaleza y extensión de la corrosión
resultante. Por ejemplo, Al y Ti expuestos a la atmósfera forman films de oxidación
(Al2O3, y TiO2) sobre sus superficies que aislan electricamente el cuerpo del
material. Esto explica porqué el aluminio puede ser utilizado en botes por ej. Fe, cr,
Ni, Ti y muchos de sus aleaciones exhiben el fenómeno de pasivación, lo cual quiere
decir que la capa de óxido aislante se mantiene bajo ciertos medioambientes.
Corrosión + esfuerzo estático
Cuando esfuerzos de tensión estáticos existen sobre la superficie del
metal sometido a ciertas atmósferas corrosivas, la acción combinada
puede cusar fisuración frágil y fractura que no podría predecirse sobre la
base de considerar separadamente ambos factores. Tales fisuras son
usualmente llamadas “stress corrosion cracking” y fue descubierto allá
por 1895, cuando fue notado que se desarrollaron fisuras en ruedas de
carros luego de períodos de exposición a atmósferas húmedas. Dichas
ruedas fueron sometidas a esfuerzos de tensión residuales puesto que
fueron forzadas para su montaje mediante interferencia.
Los siguientes métodos reducen el stress–
corrosion-cracking:
1. Cambio a un material más resistente al stress–
corrosion–resistant
material
para
el
medioambiente involucrado.
2. Reducir la acción corrosiva mediante provisión
de protección catódica utilizando coberturas
sobre las superficies, o haciendo menos
corrosivo el ambiente mediante inhibidores de
corrosión.
3. Reduciendo los esfuerzos de tensión mediante
la disminución de esfuerzos de interferencia,
uilizando mayores secciones y revenidos
(teniendo la precaución de que en algunos
casos el material se puede volver susceptible al
stress-corrosion-cracking) , y mediante shotpeening or hammerpeening.
Corrosión + esfuerzo cíclico
La acción combinada de corrosión y cargas de fatiga usualmente causa
una falla más temprana que la ocurriría con la cosideración de ambos
efectos separadamente. El fenómeno se llama corrosión por fatiga y
ocurre con la mayoría de los metales, pero es más marcado con aquellos
que tienen una menor resistencia a la corrosión.
La fatiga por corrosión es una acción compleja que todavía no está
completamente entendida. Una explicación simplificada comienza con
puntos de corrosión por esfuerzos concentrados, los cuales son
usualmente débiles y frágiles. Luego, se produce la ruptura mediante las
deformaciones cíclicas impuestas. Dicha ruptura expone al metal
desprotegiéndolo, el cual se corroe rápidamente formando otra capa, la
cual también rompe por deformación cíclica y así sucesivamente .
Como es de esperar, la falla de corrosión por fatiga muestra una
decoloración de las superficies de propagación de fisuras en comparación
con las fisuras comunes por fatiga las cuales se encuentras libres de
corrosión y se describen usualmente como “suaves”.
La resistencia a la fatiga de las partes corroídas dependen del tiempo
transcurrido, de la misma forma que los esfuerzos cíclicos y también del
medio corrosivo. Dicha resistencia a la fatiga para un número dado de
ciclos es obviamente mayor si estos ciclos son impuestos rápidamente, sin
permitir mucho tiempo para que ocurra la corrosión. Los ensayos
permiten establecer las siguentes generalizaciones:
1. Las resistencias a la corrosión por fatiga no se correlacionan con los
esfuerzos tensiles. Esto es en parte a causa de que los metales más fuertes
tienen mayor sensitividad a las entallas de corrosión.
2. Aceros de media-aleación tienen una resistencia un poco mayor que los
aceros al carbono, y en ningún caso se mejora dicha resistencia mediante
tratamientos térmicos.
3. Aceros resistentes a la corrosión, tales como aquellos que contienen Cr,
tienen una mayor resistencia a la corrosión por fatiga que otros aceros. Una
buena resistencia a la corrosión es más importante que una alta resistencia
última.
4. Los esfuerzos residuales de tracción son peligrosos en tanto que los de
compresión son benéficos (tales como aquellos causados por shot peening
por ej.)
Desgaste
En la parte anterior de este módulo se trató el daño superficial resultante del contacto con
fluidos. Ahora discutiremos el daño superficial resultante del contacto con otro sólido. En
muchos casos al daño superficial resultante se lo clasifica como “desgaste”.
Los tipos mas comunes son los llamados desgaste adhesivo, desgaste abrasivo y
desgaste con capa de corrosión.
Todos los tipos de desgaste son fuertemente influenciados por la presencia de los
lubricantes. La tasa de desgaste para una superficie sin lubricación puede ser 100000
veces mayor que para una lubricada.
En
componentes
de
máquinas
correctamente diseñados, la tasa de
desgaste inicial en las superficies de
rozamiento durante el contacto puede
llegar a ser relativamente alto. Si los
picos más pronunciados desaparecen,
ocasionando que el área real de
contacto se incremente, la tasa de
desgaste decrece hasta un valor
pequeño constante. Luego de un cierto
período
dicha
tasa
puede
incrementarse nuevamente a causa de
que el lubricante se contamine o
aumente la temperatura de las
superficies.
A escala microscópica, las superficies metálicas
deslizantes nunca son lisas. A pesar de que la
rugosidad superficial puede llegar a ser solo de unos
pocos in (o algunas centésimas de milímetro), picos
inevitables (usualmente llamados “asperezas”) y valles
aparecen, como se muestran en la fig. 9.9.
Como la presión de contacto y el calor friccional por
deslizamiento están concentrados en los lugares
indicados con flechas, las temperaturas y presiones
localizadas son extremadamente elevadas, y se dan las
condiciones favorables para que se produzcan
soldaduras localizadas en dichos puntos, ocasionando
que las zonas adyacentes a dichas microsoldaduras
puedan fallar por cortante de forma de permitir que el
movimiento relativo de las superficies continúe.
Nuevas
soldaduras
(adhesiones)
y
sus
correspondientes fracturas se continúan, resultando
en lo que usualmente se llama desgaste adhesivo .
Cuando los metales se frotan entre sí con
presión y velocidad adecuadas, las
condiciones son ideales para la soldadura
por frotamiento debido a que ambas
superficies tienen la misma temperatura de
fusión. Además, las uniones cohesivas así
formadas son normalmente más resistentes
que las uniones adhesivas entre asperezas
soldadas disímiles. Por estas razones,
metales metalúrgicamente similares no se
deberán utilizarse normalmente juntos bajo
condiciones
que
puedan
ocasionar
problemas de desgaste. Dichos metales se
denominan: "compatibles" y se definen por
tener completa miscibilidad líquida y por lo
menos 1 por ciento de solubilidad sólida de
un metal en otro a la. La Figura 9.11 muestra
el grado de compatibilidad de varias
combinaciones
de
metales.
En general, cuanto mas dura la superficie
(más precisamente, cuanto mayor es el
cociente entre la dureza superficial y el
módulo elástico), mayor será la resistencia al
desgaste adhesivo.
El término “desgaste” usualmente se refiere al desgaste abrasivo, el cual se
debe al frotamiento de partículas abrasivas sobre una superficie. Estas
partículas son usualmente pequeñas y duras y tienen cantos vivos (como
granos de arena, partículas metálicas u óxidos metálicos que están presentes
en la superficie de desgaste de los metales). Ejemplos de esto pueden ser el
desgaste de los metales ocasionados por arenado o papel de lija , rueda de
esmeril o la remoción de metal que ocurre sobre el eje en un cojinete de
deslizamiento a causa de las partículas abrasivas del lubricante.
Usualmente, cuanto mas dura sea la superficie es más resistente al desgaste
abrasivo. Superficies más duras se logran mediante tratamientos térmicos,
endurecimientos por llama o inducción, carburización, nitruración y otras. No
todos estos métodos son aplicables a cualquier aplicación a causa de que las
superficies endurecidas deben algunas veces tener por lo menos 3mm de
espesor para brindar una adecuada protección al servicio.
En el diseño de máquinas, es extremadamente importante utilizar filtros de
aceite apropiados, limpiadores de aire, cobertores para polvo, sellos en los
ejes, etc, de forma de mantener alejadas a las partículas extrañas de las
superficies de roce de los metales.
Algunas veces uno de los miembros de las superficies de roce se fabrica de un
material relativamente blando y es diseñado de forma de ser reemplazada
relativamente fácil y además ser económico. Por ejemplo, superficies duras en ejes
se protegen mediante el uso de cojinetes fácilmente reemplazables.
Es usualmente deseable que algunas veces el cojinete sea lo suficientemente
blando para permitir que partículas duras y abrasivas se incrusten completamente
y de esa forma no perjudiquen la superficie del eje. Ejemplo de esto son los
cojinetes de material babbitt utilizados en motores de automóviles
Aproximación analítica
A pesar de que el diseño de componentes de máquinas en lo que refiere a la resistencia
al desgaste es casi totalmente empírico, existen algunas aproximaciones analíticas
disponibles. La ecuación de desgaste generalmente utilizada, la cual apareció por los
años 40, puede ser escrita como:
Para dos superficies rozantes a y b , la ecuación anterior implica que la
tasa de desgaste de a es proporcional al coeficiente de desgaste (para un
material a en contacto con el material b), inversamente proporcional a la
dureza superficial de a , y asumiendo un coeficiente de fricción constante,
directamente proporcional a la tasa de trabajo de fricción.
Para unas fuerzas dadas compresivas entre las superficies, el volumen de
material desprendido es independiente del área de contacto. De aquí que
la forma más utilizada de la ecuación para el desgaste es:
La mejor manera de obtener valores para el
coeficiente de desgaste K para una aplicación
de diseño particular es para datos
experimentales para la misma combinación de
materiales operando bajo esencialmente las
mismas condiciones, por ej. obteniendo
constantes de desgaste para un nuevo modelo
a partir de datos obtenidos para un modelo
anterior similar. La bibliografía contiene
valores de K para muchas combinaciones de
materiales que han sido obtenidos bajo
condiciones de laboratorio. Cuando se utilicen
dichos valores, es importante que la
temperatura aproximada de la interface, los
materiales y la lubricación se correspondan
con aquellas utilizadas en los ensayos de
laboratorio
Para una amplia variedad de sistemas deslizantes, los coeficientes de desgaste varían en
un rango entre 10 -1 y 10-8. la siguiente figura muestra rangos de valores típicos
obtenidos con diversas combinaciones y los valores de K son los correspondientes al
más blando de los dos metales deslizantes.
Esfuerzos de contacto para superficies curvas
El contacto teórico entre superficies curvas es generalmente un punto o una
línea (como en el caso de una bolilla o cilindro y un plano, un para de dientes de
engranes, etc). Cuando cuerpos curvos elásticos son presionados
conjuntamente, áreas de contacto finitas son desarrolladas a causas de
deflexiones. Dichas áreas de contacto son pequeñas, pero sin embargo, los
esfuerzos compresivos tenderán a ser extremadamente altos. En el caso de
componentes de máquinas como ser bolillas y rodillos de rodamientos,
engranajes, levas, etc, los esfuerzos de contacto en un punto específico de la
superficie son cíclicamente aplicados (como en cada revolución de un
rodamiento o engrane), de aquí que tenderán a producirse fallas por fatiga.
Dichas fallas son causadas por fisuras diminutas que se propagan para permitir
que se separen paqueñas pociones de material de la superficie. Estos daños
superficiales, algunas veces interpretados como desgaste en realidad sería
fatiga superficial.
La siguiente figura ilustra el área de contacto y la correspondiente distribución
de esfuerzos entre dos esferas y dos cilindros, cargados con una fuerza F:
La suma de las presiones
sobre cada área de
contacto a la fuerza F,
permite
obtener
una
expresión para la máxima
presión de contacto po que
existe sobre el eje de la
carga.
El área de contacto se define por la dimensión a para las esferas y las b y L
para cilindros. Las ecuaciones de p , a y b pueden simplificarse mediante la
introducción del módulo de contacto , el cual es función del módulo de
Young E y el coeficiente de Poisson  para los cuerpos en contacto 1 y 2
Para dos esferas:
Para dos cilindros paralelos:
Gradientes de esfuerzos