DESGASTE DE MATERIALES INTRODUCIÓN El desgaste es ...

DESGASTE DE MATERIALES
INTRODUCI”N
El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzÛ a utilizar elementos naturales que le servÌan como utensilios
domÈsticos. Este fenÛmeno al igual que la corrosiÛn y la fatiga, es una de las formas m·s importantes de degradaciÛn de
piezas, elementos mec·nicos y equipos industriales.
El desgaste puede ser definido como el daÒo superficial sufrido por los materiales despuÈs de determinadas condiciones de
trabajo a los que son sometidos. Este fenÛmeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a
afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la pÈrdida de material y la subsiguiente disminuciÛn de las
dimensiones y por tanto la pÈrdida de tolerancias.
Los mecanismos de daÒo en los materiales se deben principalmente a deformaciÛn pl·stica, formaciÛn y propagaciÛn de
grietas, corrosiÛn y/o desgaste
Desde que el desgaste comenzÛ a ser un tÛpico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer
en los libros de diseÒo y en la mente de los diseÒadores, ideas sencillas de como prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se
tienen:
1. Mantener baja la presiÛn de contacto
2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento
3. Mantener lisas las superficies de rodamientos
4. Usar materiales duros
5. Asegurar bajos coeficientes de fricciÛn
6. Usar lubricantes
Tipos de desgaste.
Desgaste por fatiga de contacto.
Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son sometidas a elevados esfuerzos, los cuales provocan la apariciÛn y
propagaciÛn de grietas bajo la acciÛn repetitiva de estos. En el caso de piezas sometidas a deslizamiento, las capas
superficiales sufren intensas deformaciones como resultado de la acciÛn simult·nea de las tensiones de contacto y de la
fuerza de fricciÛn. Los esfuerzos a los que est·n sometidos los materiales particularmente en las capas superficiales,
promueven en la mayorÌa de los casos, alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaÒo de grano.
Con las nuevas tecnologÌas se ha necesitado de materiales, que a travÈs de modernos procesos de producciÛn o de
tratamiento tÈrmico, presenten una combinaciÛn especial de microestructura y propiedades mec·nicas, garantizando con
esto, niveles de tolerancia, acabado superficial y desvÌos de forma y posiciÛn cada vez mejores.
Por otra parte las leyes son cada vez m·s rigurosas, controlando los niveles de ruido y contaminantes perjudiciales para el
hombre y el medio ambiente que provienen de selecciones equivocadas de materiales o procesos de producciÛn empÌricos.
El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por fatiga de contacto superficial tÌpica de elementos de
m·quinas, los cuales trabajan bajo rÈgimen de lubricaciÛn elastohidrodin·mica y elevadas cargas superficiales. Este es el
caso de cojinetes de rodamiento y ruedas dentadas en su punto de contacto. AquÌ, el mecanismo principal de falla es la
apariciÛn y propagaciÛn de grietas despuÈs que las superficies han almacenado una determinada deformaciÛn pl·stica. Por
esto, es importante el buen acabado superficial y la correcta selecciÛn y filtrado de los lubricantes.
Seg˙n Gras e Inglebert (1998), la fatiga de contacto se debe al aparecimiento de transformaciones microestructurales o
decohesiones localizadas que conducen al daÒo de las superficies.
DESGASTE ABRASIVO
DEFINICI”N
La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pÈrdida de masa resultante de la interacciÛn entre partÌculas o
asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo
y desgaste por deslizamiento es el ìgrado de desgasteî entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya
sea por la naturaleza, tipo de material, composiciÛn quÌmica, o por la configuraciÛn geomÈtrica.
Como se muestra en la figura 7, existen b·sicamente de los tipos de desgaste abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a de los
cuerpos o a tres cuerpos. En abrasiÛn a de los cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de
las superficies en contacto, mientras que la abrasiÛn a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partÌculas duras sueltas
entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene
un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandÌbulas de una
trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partÌculas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los
superficies en contacto deslizante.

Figura 7. Desgaste abrasivo a) a de los cuerpos y b) a tres cuerpos
La figura 8 muestra la influencia del tamaÒo de partÌcula generada durante el desgaste o inherente al sistema en la definiciÛn
del mecanismo de desgaste operante. El mecanismo de adhesiÛn es verificado para tamaÒos de partÌculas menores de
10 m, que corresponden a tamaÒos caracterÌsticos de micro-constituyentes en materiales ferrosos (por ejemplo carburos en
el acero AISI 52100) o partÌculas de desgaste que permanecen en el ·rea de contacto, pero sin llegar a actuar como
partÌculas abrasivas, pues el ìnivel de actuaciÛnî de esas partÌculas para el sistema es a˙n bajo. Para tamaÒos mayores que
10 m, la variaciÛn de la tasa de desgaste sigue caracterÌsticas frecuentemente vistas en sistemas abrasivos, como ser· visto
posteriormente.
Figura 8.VariaciÛn del desgaste especÌfico con el tamaÒo de la partÌcula (m)
MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO
El mecanismo m·s efectivo de remociÛn de material en desgaste abrasivo para materiales d˙ctiles es el corte. Aunque en
funciÛn de determinadas variables del sistema y propiedades de los materiales involucrados, la eficiencia en la remociÛn de
material bajo este mecanismo puede ser atenuada. Cuando esto ocurre, se dice que est· presente el mecanismo de
microsurcado, donde la remociÛn de material solamente se dar· por acciones repetidas de los abrasivos, llevando a un
proceso de fatiga de bajos ciclos. La Figura 9 muestra diferentes apariencias de la superficie en funciÛn de la carga, aplicada
provocadas por un penetrador esfÈrico de diamante de un material d˙ctil, en las cuales se pasa de microsurcado para
microcorte. Estas micrografÌas fueron obtenidas en microscopio electrÛnico de barrido.
Figura 9. MicrografÌas en microscopia electrÛnica de barrido mostrando micro-mecanismos de abrasiÛn controlados por
deformaciÛn pl·stica: a1) microsurcado; b1) y c1) formaciÛn de proas y d1) microcorte.
La proporciÛn de material del volumen del surco desplazado durante el proceso de abrasiÛn de un material d˙ctil a los lados
del surco, es decir la relaciÛn entre microsurcado y microcorte depende del ·ngulo de ataque de la partÌcula abrasiva. De
acuerdo a los investigadores Mulheram, Samuels y Sedriks, el material es sacado de la superficie por microcorte cuando el
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·ngulo de ataque (·c) de la particlua erosiva es mayor que un valor crÌtico. Ese valor critico del ·ngulo de ataque es funciÛn
del material que est· siendo desgastado y de las condiciones de ensayo. Teoricamente ·c describe una transiciÛn aguda entre
microsurcado y microcorte. En la pr·ctica, una transiciÛn m·s gradual de microsurcado o microcorte es observado con el
incremento del ·ngulo de ataque
Autores como Stroud y Willian (1974), Buttery y Archard (1970) y Moore y Swanson (1983), discutieron el hecho, que solo
una parte del volumen del surco producido por partÌculas duras, es inmediatamente removido como partÌculas de desgaste
fuera del material, es resto se localiza en el borde en forma de proa. En materiales con microconstituyentes de plasticidad
limitada, el mecanismo de microcorte acaba por ser caracterÌstico, o sea, para una severidad de desgaste baja, se evidencia el
microsurcado y hay una transiciÛn para microfractura cuando alguna variable del sistema promueve aumento de severidad.
Este efecto puede ser visto en la figura 10.
Figura 10. RelaciÛn entre tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste abrasivo en diferentes materiales cer·micos y
polÌmeros (Zum Gar).
DESGASTE POR CAVITACI”N
INTRODUCI”N.
La cavitaciÛn es un problema frecuentemente encontrado en equipos hidr·ulicos, el cual genera gran dificultad para su
mantenimiento. El problema de la cavitaciÛn surgiÛ con el desarrollo de los barcos a vapor en el inicio de este siglo. Con la
fabricaciÛn estos barcos, capaces de alcanzar mayores velocidades, algunos de ellos comenzaron a presentar un desgaste
severo y localizado en sus hÈlices. Inicialmente se pensÛ que este desgaste se debÌa a la corrosiÛn de los materiales de las
hÈlices, siendo esta la responsable por el daÒo en dichos materiales, aprovechando su baja resistencia a la corrosiÛn. Pero, al
estudiarse el fenÛmeno m·s detalladamente, se descubriÛ que las hÈlices no sufrÌan desgaste cuando no estaban en
funcionamiento y que este tambiÈn ocurrÌa en medios quÌmicamente inertes. AsÌ el desgaste solo podrÌa ser debido a un
fenÛmeno que ocurrÌa durante el flujo de los fluidos frente a los materiales por los que pasaban.
En 1915 en Inglaterra se estudiÛ este fenÛmeno por primera vez y se llegÛ a la conclusiÛn que el desgaste era provocado por
repetidos ìgolpes hidr·ulicosî que alcanzaban la superficie de las hÈlices durante su funcionamiento. Pero los mecanismos
por los cuales este desgaste ocurrÌa no quedaron claros y el fenÛmeno permaneciÛ sin explicaciÛn hasta 1917. En este aÒo,
un artÌculo de autorÌa de Lord Rayleigh fue publicado. En el artÌculo, Rayleigh proponÌa un mecanismo para explicar el
fenÛmeno. Este investigador dedujo en su hipÛtesis, que durante el flujo de un fluido pueden ocurrir caÌdas de presiÛn que
pueden alcanzar valores del orden de la presiÛn de vapor del lÌquido en la temperatura de trabajo, provocando la nucleaciÛn
de pequeÒas burbujas de vapor. Estas burbujas son llevadas por el flujo y al alcanzar regiones de mayores presiones sufren
un colapso violento y caÛtico que genera altas presiones y velocidades en las regiones prÛximas al colapso. Estas altas
presiones y velocidades que surgen del colapso, provocan el desgaste de superficies sÛlidas prÛximas.
Como conclusiÛn a esta teorÌa, hasta ahora la m·s aceptada, es que, el desgaste por cavitaciÛn se puede definir como aquel
daÒo que ocurre en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeÒas burbujas, que surgen debido a las
variaciones de presiÛn durante el flujo de un fluido.
Aunque hasta la fecha se ha tenido un enorme avance desde la publicaciÛn del artÌculo de Lord Rayleigh, un entendimiento
completo del fenÛmeno a˙n est· lejos de ser alcanzado y a˙n es mucho lo que debe ser estudiado de este tÛpico. Los efectos
que el desgaste por cavitaciÛn provocan, van desde la pÈrdida de eficiencia, hasta la inutilizaciÛn completa del equipo.
Hasta hoy no hay una manera de preverse el desgaste de un equipo sujeto a cavitaciÛn y las paradas para mantenimiento de
un equipo a˙n son estipuladas con base en la experiencia de los operadores. Sin embargo hoy tenemos dos maneras de lidiar
con el problema de la cavitaciÛn: uno es el desarrollo de materiales m·s resistentes y otro, es mejor el diseÒo de equipos
hidr·ulicos evitando caÌdas de presiÛn muy bruscas.
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MECANISMOS DE DA—O
Rayleigh mostrÛ la posibilidad del surgimiento de elevadas presiones y velocidades debido al colapso de burbujas. En su
trabajo utilizÛ un balance de energÌa para mostrar la posibilidad de surgimiento de altas presiones originadas en el colapso
de las burbujas.
De las suposiciones propuestas por Rayleigh, la que m·s influye es aquella donde afirma que la presiÛn interna puede ser
despreciada. En realidad siempre existir· una cierta cantidad de aire o gases disueltos en el lÌquido, y en el interior de la
burbuja siempre existir· vapor debido a su propia nucleaciÛn. Por otro lado la presiÛn en el interior de la micro-burbuja no
puede ser despreciada. Parte de la energÌa de colapso es utilizada para comprimir los gases o vapores en el interior de la
burbuja, los cuales alcanzan presiones y temperaturas muy altas. Las consecuencias de este hecho se pueden entender mejor
de la siguiente forma. Durante el colapso, ocurre flujo de fluido en direcciÛn a la burbuja, provocando aumento de presiÛn
en la interface burbuja/lÌquido y acelerando cada vez m·s la interface. El colapso se da de manera tan r·pida que parte del
vapor presente en la burbuja no tiene tiempo suficiente de condensarse. AsÌ, el vapor (y tambiÈn cualquier gas disuelto) ser·
comprimido a una alta presiÛn que, eventualmente, ser· suficientemente alta para interrumpir el colapso y hacer con que la
burbuja crezca nuevamente de forma explosiva, emitiendo ondas de presiÛn o de choque, conforme se esquematiza en la
Figura 11
Figura 11: RepresentaciÛn esquem·tica del fenÛmeno de nucleaciÛn y colapso de micro-burbujas y la emissiÛn de ondas de
choque
Las ondas de presiÛn emitidas durante el crecimiento explosivo de las burbujas son las responsables por el daÒo del
material. Estas ondas de choque que generan elevadÌsimas presiones, son capaces de alcanzar valores del orden de GPa y
act˙an en un intervalo de tiempo muy curto sometiendo al material a una tasa de deformaciÛn muy alta.
Este mecanismo continuarÌa indefinidamente sino existieran mecanismos de disipaciÛn de energÌa. La disipaciÛn de energÌa
ocurre en virtud de la viscosidad del fluido, que de manera general, puede ser considerado como un factor de
amortiguamiento, transformando la energÌa mec·nica del colapso en energÌa tÈrmica. La viscosidad tambiÈn reduce la tasa
de crecimiento o colapso de las micro-burbujas, reduciendo con esto el daÒo potencial. La compresibilidad del lÌquido tiene
gran influencia en la formaciÛn de las ondas de choque y en la fase siguiente al colapso: la compresibilidad del fluido causa
una atenuaciÛn de las ondas de choque emitidas y diminuye el daÒo total provocado.
Para que las ondas de choque puedan provocar daÒo a un material, es necesario que el colapso ocurra muy prÛximo a las
superficies sÛlidas. Pero cuando el colapso ocurre prÛximo a una superficie sÛlida esta altera el flujo y da origen a un
segundo mecanismo de daÒo posible: los micro chorros.
Cuando el colapso de la burbuja ocurre prÛximo a una superficie sÛlida, el flujo en la regiÛn entre esta y la burbuja es
restringido. AsÌ la velocidad de contracciÛn de la burbuja en esa regiÛn es menor que en las regiones de la burbuja m·s
distantes de la superficie sÛlida. Esa diferencia de velocidad de contracciÛn, provoca una asimetrÌa de colapso, esto explica
porque las micro-burbujas no presentan una forma esfÈrica. El comportamiento de pÈrdida de esfericidad de las burbujas es
presentado en la Figura 12.
Con la continuaciÛn del colapso, hay una aceleraciÛn de la burbuja y por consiguiente la formaciÛn de un micro chorro,
siendo este otro mecanismo de daÒo posible adem·s de las ondas de presiÛn.
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Figura 12: Modelos de formaciÛn de micro chorros
Por lo tanto, existen dos mecanismo por los cuales el crecimiento y colapso de burbujas pueden causar daÒo al material en
regiones vecinas al colapso: la emisiÛn de ondas de choque y los micro chorros. La pregunta de sÌ el daÒo por cavitaciÛn es
provocado por ondas de presiÛn o por micro chorros es un asunto a˙n controversial en la literatura. Durante la dÈcada del 40
y 50, se creÌa que las ondas de presiÛn eran el mecanismo responsable por el daÒo. Con el descubrimiento de los micro
chorros, fue entonces puesta atenciÛn a las presiones generadas por estos. AsÌ que la pregunta a˙n no fue resuelta y la
posiciÛn actual es que el daÒo es provocado por la acciÛn conjunta de estos dos mecanismos.
Desgaste adhesivo
La adhesiÛn esta asociada a toda formaciÛn y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos
superficies son colocadas en contacto Ìntimo. La adhesiÛn conlleva adem·s al soldado en frÌo de las superficies.
Con respecto al desgaste adhesivo, el papel principal lo juega la interacciÛn entre las superficies y su grado de limpieza, es
decir, cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ning˙n tipo de impurezas, capas de Ûxido o
suciedades, se permite que el ·rea de contacto sea aumentada, pudiÈndose formar uniones adhesivas m·s resistentes.
El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en contacto. Estas asperezas
son deformadas pl·sticamente, permitiendo la formaciÛn de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre
como resultado de la destrucciÛn de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se
transfiera a la superficie del otro. AsÌ, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que
cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie.
Piezas de maquinaria donde est· normalmente involucrado el desgaste adhesivo, son. Sistemas, biela-seguidor, dados de
extrusiÛn-alambre, cola de milano-apoyo, engranajes, rodamiento-apoyo y herramientas de corte, son elementos que pueden
sufrir desgaste debido a adhesiÛn.
La uniÛn entre las superficies en contacto son destruidas, en caso que la resistencia al corte de la interface sea menor que la
resistencia de los dos materiales considerados. Puede suceder que la regiÛn adherida tenga mayor resistencia al corte que
alguno de los dos materiales o incluso que los dos, por tanto se puede presentar desgarre en uno, o en los dos materiales,
permitiendo que uno de ellos sea adherido a la otra superficie del otro o que los dos materiales pierdan la interface.
La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades fÌsicas y quÌmicas de los materiales en contacto, al
igual que de los valores de carga aplicados y las propiedades de los materiales que est·n sobre las superficies, y finalmente
de la rugosidad. Generalmente el contacto entre metales es no met·lico debido a la presencia de capas absorbidas como
Ûxidos. La adhesiÛn en este caso se da por medio de enlaces dÈbiles o fuerzas de Van der Waals. Sin embargo, la
deformaciÛn el·stica o pl·stica de las asperezas puede provocar rompimiento de estas capas, por lo que la uniÛn de la
interface se da por medio de enlaces covalentes y met·licos, siendo los enlaces iÛnicos insignificantes en los metales.
Mientras la fuerza de adhesiÛn dependa del ·rea real de contacto, esta ser· influenciada por la resistencia de los materiales a
la deformaciÛn pl·stica, por el tipo de estructura cristalina y por el n˙mero de sistemas de deslizamiento. El investigador
Sikorski (1964) mostrÛ que hay una fuerte tendencia a la adhesiÛn de acuerdo al tipo de estructura cristalina que presenten
los materiales. En la figura 13 es mostrada la dependencia del coeficiente de adhesiÛn en funciÛn de la dureza y el tipo de
estructura cristalina presente. AquÌ el coeficiente de adhesiÛn es definido como la relaciÛn entre la fuerza necesaria para
quebrar las uniones adheridas y la carga normal con la cual las muestras fueron inicialmente comprimidas. De la figura es
posible notar que a medida que aumenta la dureza, en general hay un decrecimiento del coeficiente de adhesiÛn.
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Figura 13. Coeficiente de adhesiÛn en funciÛn de la dureza y el tipo de estructura cristalina.
Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo
INTRODUCI”N
El desgaste erosivo es un fenÛmeno que afecta gran cantidad de elementos de m·quinas en las industrias minera y
alimenticia, asÌ como: turbinas hidr·ulicas, implementos agrÌcolas, sistemas de bombeo y dragado en rÌos y minas, al igual
que piezas especÌficas usadas en las industrias petrolÌfera y petroquÌmica, entre otras muchas aplicaciones. Con este tipo de
desgaste, no solo se tiene perdida de material y la consecuente falla de las piezas, sino que est· asociado a perjuicios
financieros en virtud del tiempo asociado a la reparaciÛn de equipos y substituciones de los componentes desgastados.
El conocimiento de los mecanismos de remociÛn de material involucrados durante el desgaste erosivo, asÌ como el
reconocimiento y la caracterizaciÛn de las diferentes variables involucradas, son lÌneas muy importantes de investigaciÛn en
la ingenierÌa actual, asÌ su estudio haya sido comenzado hace ya varias dÈcadas.
Varias teorÌas que intentan entender y relacionar los diferentes mecanismos que act˙an durante la erosiÛn, con las variables
involucradas, han sido desarrolladas en modelos matem·ticos. Estos modelos se basan en hipÛtesis, que a veces limitan el
an·lisis, ya que son realizados para aplicaciones muy especÌficas, orientadas a la soluciÛn de problemas particulares en
procesos industriales. Muchos de estos modelos, aunque basados en lÌneas de pensamiento coherentes, est·n siendo
actualmente estudiados nuevamente para perfeccionarlos. Desde este punto de vista, se est· intentando modelar una teorÌa
general del fenÛmeno de desgaste erosivo, para lo cual se han utilizando los principios b·sicos de la mec·nica y de la
termodin·mica, combinados con la ciencia e ingenierÌa de materiales.
Un fenÛmeno que act˙a de forma sinÈrgica con la erosiÛn, es la corrosiÛn, en general cuando el medio de trabajo es
h˙medo. La corrosiÛn puede ser definida de acuerdo con literatura, como un fenÛmeno que deteriora un material
(generalmente met·lico), por acciÛn quÌmica o electroquÌmica del medio ambiente, asociada o no a esfuerzos mec·nicos. La
acciÛn combinada de estos procesos, corrosiÛn y desgaste erosivo, resulta en la degradaciÛn acelerada de los materiales
debido a su comportamiento sinÈrgico. El proceso de desgaste corrosivo en materiales que forman capas pasivas es
acelerado cuando esta capa es dÈbil, como en el caso de algunos aceros inoxidables austenÌticos.
Resumen histÛrico del estudio de la erosiÛn
Este tipo de desgaste comenzÛ a ser un problema hace mucho tiempo, pero la erosiÛn como tal, solo se comenzÛ a estudiar
con seriedad en estos dos ˙ltimos siglos. PartÌculas duras chocando contra una superficie ha sido un problema serio y
constante para muchas industrias. Aunque por otro lado se tienen algunas aplicaciones importantes que utilizan el proceso
erosivo, como por ejemplo, durante el pulido de piezas con chorro de arena.
Las primeras publicaciones sobre erosiÛn aparecieron en 1946, en ella se utilizaron 233 referencias de trabajos resueltos en
industrias particulares. Para esta Època, a˙n se tenÌa poco entendimiento del fenÛmeno y de los mecanismos que llevaban a
la pÈrdida de material de las superficies en los materiales analizados. Estos mecanismos hasta hoy contin˙an siendo la base
del estudio de la erosiÛn.
Muchos de los investigadores en el transcurso de sus estudios, se han interesado m·s en los mecanismos de remociÛn de
material, que en las caracterÌsticas del flujo de los fluidos, siendo que ahÌ puede estar la clave para la soluciÛn a muchos
problemas pr·cticos.
Estudios que van desde gotas de agua impactando aviones, daÒo en turbinas de vapor, hÈlices de barcos, etc, han sido
desarrollados buscando explicar las causas del desgaste a la luz de la mec·nica de fluidos. Para ello se ha usando la
ecuaciÛn de Reinolds, y se ha intentado encontrar los coeficientes de arrastre das partÌculas.
Cada dÌa las personas est·n m·s interesadas e involucradas en el estudio del desgaste en cualquiera de sus manifestaciones,
es por esto que nuevos aparatos con los m·s sofisticados avances tecnolÛgicos son desarrollados en procura de la mediciÛn
del desgaste y de esta forma dar una explicaciÛn del porque los materiales fallan durante su funcionamiento.
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[FINNIE, 1962] fue uno de los primeros investigadores en estudiar la erosiÛn en funciÛn del tipo de material a ser
impactado (d˙ctil o fr·gil) y del ·ngulo de impacto de las partÌculas. Estudios iniciales fueran realizados con metales
d˙ctiles y ·ngulos de impacto diferentes de 90 (pues se pensaba que durante impacto normal de las partÌculas, no se
provocaba ning˙n desgaste). El an·lisis de los mecanismos de desgaste presentes fue realizado con base en variables como:
velocidad de impacto, dureza y forma de las partÌculas, resistencia mec·nica de la superficie y ·ngulo de impacto, donde los
principales mecanismos de desgaste encontrados fueron la deformaciÛn pl·stica y el corte de material.
En estudios posteriores, Finnie [FINNIE, 1972] considerÛ la influencia de otras variables, como: capacidad de deformaciÛn
del material, rugosidad superficial y rotaciÛn de las partÌculas en el momento del impacto. En este sentido de ideas, Finnie
admitiÛ pÈrdida de material en ·ngulos de incidencia normal; en virtud que partÌculas fragmentadas y en rotaciÛn podÌan
cortar el material, permitiendo el desprendimiento de este para ·ngulos de incidencia prÛximos de 90 .
BITTER, 1963, basado en los estudios de Finnie, propuso otras variables como el endurecimiento por deformaciÛn del
material y procesos de corte secundarios por fragmentaciÛn de las partÌculas. Explicaciones de los mecanismos involucrados
de acuerdo a estas variables son: 1) el endurecimiento por deformaciÛn diminuye la capacidad de deformaciÛn pl·stica del
material para dar lugar a la fractura fr·gil, 2) la fragmentaciÛn de partÌculas, y posterior movimiento tangencial cortan
repetidas veces la superficie del material. Estos mecanismos complementan el modelo de Finnie para desgaste en ·ngulos
prÛximos la 90 .
En estudios realizados por Tilly, 1973, se presentÛ formalmente el concepto de erosiÛn secundaria. Esta es una segunda
etapa del fenÛmeno de corte en la cual, los fragmentos de las partÌculas que chocaron con la superficie la primera vez,
realizan un segundo proceso de corte al moverse tangencialmente sobre ella. Claramente, el modelo de Tilly revelÛ la
importancia de estudiar las propiedades de las partÌculas erosivas, tales como: su fragilidad y dureza, aunque algunos
resultados experimentales en la Època, mostraban que a tasa de desgaste por erosiÛn era bastante independiente de estas
propiedades.
Estudios posteriores centraban su atenciÛn entonces en la erosiÛn en ·ngulo de impacto normal. De esta forma fueron
apareciendo nuevas variables y mecanismos entre los que pueden ser citados los siguientes: 1)- Micro-fusiÛn de regiones
localizadas en la superficie [JENNINGS. et al, 1976], cuya ocurrencia depende de las propiedades tÈrmicas del material y de
la energÌa cinÈtica entregada por las partÌculas erosivas. 2)- Fatiga de bajos ciclos, asociada a la acumulaciÛn de
deformaciÛn pl·stica [HUTCHINGS, 1981]. Este ˙ltimo mecanismo permite la formaciÛn de grietas superficiales despuÈs
de un determinado n˙mero de ciclos de impacto, donde material es removido en forma de pequeÒas lascas, 3)- FenÛmenos
corrosivos, los cuales son responsables por la deterioraciÛn de los materiales en condiciones de desgaste en medio h˙medo.
[WANG; XU, 1985.; MADSEN, 1983, 1986 y 1988], 4)- Sinergismo erosiÛn-corrosiÛn, a partir del cual se encontrÛ un
aumento en la pÈrdida de material.
En trabajos m·s recientes [MENG; LUDEMA, 1994.; SUNDARARAJAN, 1995.; FINNIE, 1996] se estudiaron de nuevo
los modelos de desgaste propuestos hasta la Època intentando explicar en forma m·s general el problema del desgaste. Este
abordaje propone acoplar los diversos modelos y de esta forma dar una explicaciÛn m·s racional al problema de la erosiÛn y
de la erosiÛn ñ corrosiÛn. Otro abordaje reciente consiste en la investigar fenÛmenos asociados al desgaste que hasta el
momento han sido difÌciles de estudiar o han sido despreciados u olvidados en trabajos anteriores, tales como el ìfrettingî y
la cavitaciÛn [KWOK; CHENG; MAN, 2000.; FOUVRY; VINCENT; KAPSA, 1996]
En diversos estudios realizados por investigadores como Wang y Xu y Madsen, se mostrÛ la importancia de los fenÛmenos
corrosivos en la erosiÛn de metales en medios h˙medos, en especial cuando las partÌculas abrasivas presentan baja
angulosidad, mismo que el material a desgastar sea considerado resistente a la corrosiÛn (aceros inoxidables. por ejemplo).
Los resultados de estos investigadores permitieron concluir que el efecto combinado de la erosiÛn y la corrosiÛn es mayor
que la suma de los efectos aislados. De esta forma, fueron propuestos algunos mecanismos ìmixtosî para explicar lo que
fue llamado como ìprocesos sinÈrgicos erosiÛn-corrosiÛnî.
Desgaste por erosiÛn
Seg˙n [ZUM GAHR, 1978], el desgaste erosivo se presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de
partÌculas sÛlidas, lÌquidas o gaseosas que los impactan. Estas partÌculas pueden actuar solas o de manera combinada. La
erosiÛn afecta muchos materiales de ingenierÌa, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria
minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partÌcula.
Las partÌculas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o h˙medos pudiendo actuar en forma muy
variadas tal como se muestra en la figura 14. Cuando el medio de trabajo es h˙medo (por ejemplo, un medio con agua y
partÌculas de arena), la erosiÛn y la corrosiÛn son fenÛmenos que act˙an en forma sinÈrgica, provocando la degradaciÛn
acelerada de los materiales.
Para el estudio del desgaste de piezas en general, se han propuesto en los ˙ltimos aÒos varios modelos teÛricos. En estos
modelos se intentan comprender los mecanismos de remociÛn de material y las variables involucradas.
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Figura 14. Diferentes formas de actuaciÛn de partÌculas erosivas en la formaciÛn de: (a) microcorte y micro-arado, (b)
Agrietado superficial, (c) Desplazamiento de material al borde de los cr·teres de impacto (d) grietas por fatiga superficial y
sub-superficiales causadas por los m˙ltiples impactos (e) FormaciÛn de pequeÒas hojuelas debido a la extrusiÛn y forjado en
los impactos y (f) FormaciÛn de pequeÒas hojuelas por procesos de extrusiÛn inversos. [ZUM GAHR, 1978].
En otras definiciones cl·sicas de la erosiÛn se afirma, que este es un fenÛmeno por medio del cual, material es removido de
una superficie durante la acciÛn continua de partÌculas duras o de fluidos que la alcanzan. Las partÌculas impactan las
superficies a diferentes velocidades y ·ngulos de incidencia, donde el desgaste se da a travÈs de diferentes mecanismos. En
la figura 15 son presentados esquemas que muestran la forma como partÌculas erosivas act˙an en una superficie en
dependencia del ·ngulo de incidencia. Para erosiÛn en ·ngulos cercanos a 90 , la energÌa de la partÌcula es consumida
durante la deformaciÛn de la superficie y para ·ngulos menores, esa energÌa es utilizada en deformar y cortar el material de
la superficie.
(a) (b)
Figura 15. ErosiÛn de una superficies seg˙n el ·ngulo de impacto a) normal y b) diferente de 90 .
De acuerdo al medio donde act˙an las partÌculas erosivas, la erosiÛn puede ser dividida en:
ErosiÛn a seco.
Cuando las partÌculas son arrastradas por aire u otro gas y son obligadas a impactar una superficie. Uno de los sistemas
usados en ensayos de erosiÛn a seco es presentado en la figura 16.
Figura 16. Mecanismo para desgaste erosivo a seco.
ErosiÛn em medio Acuoso.
Se presenta cuando partÌculas duras son arrastradas en un medio acuoso y son obligadas a impactar una superficie. Uno de
los equipos utilizados en la realizaciÛn de ensayos de erosiÛn en medio acuoso es presentado en la figura 17.
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Figura 17. Montaje utilizado en las mediciones de desgaste erosivo en medio acuoso.
.
Mecanismos de desgaste erosivo.
Cuando un material d˙ctil es impactado, son formados cr·teres en su superficie, alrededor de los cuales aparece una
pequeÒa proa constituida de material removido. DespuÈs de m˙ltiples impactos, el material es arrancado en forma de debris
(partÌculas de desgaste). La forma y tamaÒo de los cr·teres formados dependen (entre otras variables) de la velocidad,
tamaÒo y ·ngulo de impacto de las partÌculas. En la figura 18(a) es presentado el mecanismo de formaciÛn de proa en
metales d˙ctiles.
Para materiales fr·giles como los vidrios, cer·micos o metales muy duros, el mecanismo de remociÛn es diferente. Es estos
materiales los sucesivos impactos causan micro-grietas superficiales, las cuales crecen hasta que se unen, provocando el
arranque de material en forma de lascas. Este mecanismo es presentado en la figura 18(b). Es interesante notar que un
material (aunque sea d˙ctil), despuÈs de estar sometido a m˙ltiples impactos, puede sufrir cambios estructurales que lo
llevan a comportarse de una forma fr·gil.
Proa
(a) (b)
Figura 18. Mecanismos de remociÛn de material que act˙an durante desgaste erosivo cuando una partÌcula sÛlida colisiona
una superficie plana, para: a) metales d˙ctiles; y b) metales fr·giles
Recientemente, han sido propuestas hipÛtesis que tienen en cuenta caracterÌsticas fÌsicas y morfolÛgicas de los cuerpos en el
sistema de desgaste erosivo. A partir de trabajos de [MENG.; LUDEMA, 1994], las teorÌas inicialmente formuladas, se han
perfeccionado continuamente. Para ello, se han utilizado los principios b·sicos de la mec·nica y de la termodin·mica, los
cuales constituyen una herramienta importante en la b˙squeda del entendimiento de este tipo de desgaste.
El estudio del desgaste que involucra pÈrdida de material por impacto de partÌculas, ha presentado varios problemas. Los
principales interrogantes que se han intentado resolver a travÈs de estos aÒos son 1) Cu·les son los mecanismos que act˙an
cuando el ·ngulo de impacto es de 90 y cuales los que act˙an en el caso de incidencia oblicua? 2) Cu·les son los
mecanismos que act˙an en el caso materiales d˙ctiles o en el caso de ser ellos fr·giles 3) Es posible que varios mecanismos
puedan actuar, independientemente del ·ngulo de impacto y del tipo de material. Varios de esos problemas fueran en parte
resueltos, siendo conocidos varios mecanismos, pero otros contin˙an en estudio buscando su completo entendimiento.
Por tanto, son varios los mecanismos de pÈrdida de masa que est·n presentes durante un proceso erosivo. Mecanismos que
dependen entonces del tipo de material ensayado (d˙ctil o fr·gil), del ·ngulo de impacto de las partÌculas y otras variables
que ser·n mencionadas en la secciÛn siguiente. Las regiones fracturadas a partir de estos mecanismos de desgaste, presentan
una apariencia muy diferente al ser observadas al microscopio, siendo que las fallas no necesariamente est·n unidas a las
caracterÌsticas de ductilidad y fragilidad macroscÛpicas del material. Una falla d˙ctil corresponde a situaciones en que
ocurre deformaciÛn pl·stica, la cual pode ser relacionada con el tamaÒo y morfologÌa de las partÌculas (marcas de
desprendimiento de material, araÒones, surcos, etc.). La deformaciÛn por fractura fr·gil, se debe al surgimiento de grietas y
desprendimiento de ìlascasî de material. Estas grietas en materiales d˙ctiles pueden aparecer despuÈs de un proceso de
endurecimiento superficial en la superficie y la sub-superficie.
Desgaste por fretting
El desgaste por fretting ocurre entre dos superficies en contacto (no necesariamente moviÈndose tangencialmente), las
cuales experimentan pequeÒas oscilaciones cÌclicas (del orden de 1 a 100m). Cuando algunas vibraciones aparecen en las
superficies en contacto, ocurren pequeÒos deslizamientos en la direcciÛn del movimiento relativo, esos pequeÒos
deslizamientos son causa de desgaste por fretting.
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Desgaste por fretting es com˙nmente observado en los cubos de las ruedas de vehÌculos, entre las esferas y su camino de
rodadura en un rodamiento de bolas, en los puntos de contacto entre dos engranajes, entre otros ejemplos.
El desgaste por fretting puede conducir a la pÈrdida de las uniones de contacto de los cuerpos, incrementando la vibraciÛn y
acelerando la tasa de desgaste. TambiÈn se ha observado que en general los debris (partÌculas de desgaste), son Ûxidos y
como estos ocupan un mayor volumen que el material que los origina, pueden conducir a falla por Seizure (adhesiÛn severa
que conduce a soldado de las superficies), en partes diseÒadas para trabajar con una determinada holgura. De esta forma la
holgura ser· ampliada y los debris tendr·n la posibilidad de abandonar la interface m·s f·cilmente.
Un fenÛmeno asociado al daÒo por fretting, es la apariciÛn de grietas en la regiÛn afectada, lo que ocasiona reducciÛn de la
resistencia a fatiga del material, en caso que el componente experimente esfuerzos cÌclicos.
El desgaste por fretting es com˙nmente estudiado en laboratorios, utilizando un sistema esfera-plano, donde son aplicadas
tanto carga normal como carga tangencial. Como fue mostrado en el capÌtulo de la mec·nica de contacto, cuando una esfera
es presionada normalmente contra una superficie plana, se genera debajo de esta zona una distribuciÛn de presiones,
obteniÈndose una presiÛn m·xima en el centro y aproximadamente cero en el borde del contacto. Cuando adem·s de aplicar
una fuerza normal, se aplica una fuerza tangencial y esta a la vez tiene la posibilidad de ser aumentada, se generan
deslizamientos que cambian la distribuciÛn de presiÛn y llevan a un desgaste de la zona de contacto, la cual varÌa de acuerdo
a la intensidad de la fuerza tangencial, tal como se muestra en la figura 19.
Figura 19. (a) DistribuciÛn del esfuerzo normal el·stico, abajo de una esfera presionando un plano, (b) a (d) Vistas
bidimensionales del ·rea de contacto a medida que aumenta el valor de la fuerza tangencial cÌclica (Hutchings, 1992).
En la figura 19 las regiones rayadas representan ·reas arriba de las cuales ocurre deslizamiento localizado entre las
superficies. Por tanto, la zona de contacto puede ser dividida en dos regiones; un ·rea central, donde no hay ning˙n
movimiento tangencial relativo y una zona anular, en la cual ocurre micro-deslizamiento. AsÌ, el daÒo por fretting ocurre en
aquellas zonas de contacto donde ocurren esos pequeÒos deslizamientos. Ahora, cuando la fuerza tangencial cÌclica es
aumentada, se puede pasar de pequeÒas zonas en el contacto afectadas por el micro-deslizamiento, hasta un deslizamiento
total en toda el ·rea de contacto.
El daÒo por fretting ocurre m·s severamente en la regiÛn del ·rea de contacto que sufre deslizamiento. Este desgaste en
com˙nmente cuantificado como la pÈrdida de masa o volumen que ocurre en la superficie afectada. Ensayos de laboratorio
donde se ha estudiado el fretting variando el n˙mero de ciclos, han mostrado que hay un breve perÌodo inicial, donde el
desgaste es acelerado, (como se muestra en la figura 19), seguido de una estabilizaciÛn (curva B) o un decrecimiento (curva
D) de la tasa de desgaste. Por otra parte, algunos materiales pueden experimentar incrementos en la tasa de desgaste (curvas
A o C), o presentar un comportamiento lineal (curva B). En esta ˙ltima condiciÛn, se ha encontrado que la tasa de desgaste
es aproximadamente proporcional a la carga normal, siendo ˙til expresar esta relaciÛn como ìtasa de desgaste especÌficaî,
la cual es llamada, coeficiente de desgaste dimensional (k). El coeficiente de desgaste dimensional es por tanto, el volumen
removido, por unidad de distancia de deslizamiento, por unidad de carga normal. La distancia de deslizamiento esta
relacionada con la duraciÛn del ensayo, la frecuencia de vibraciÛn y la amplitud de desplazamiento cÌclico. Por tanto k, da
una medida de la severidad del desgaste y permite que resultados de ensayos a diferentes valores de carga normal y
amplitudes sean comparados.
Desgaste por deslizamiento
Esencialmente, el desgaste por deslizamiento es aquel en el cual hay un movimiento relativo entre dos superficies en
contacto con una carga aplicada, donde el daÒo de la superficie no ocurre por riscado debido a la penetraciÛn de las
asperezas o por partÌculas externas
El desgaste por deslizamiento es uno de los tipos de desgaste que ocurre con mas frecuencia en la industria y por esto es
estudiado con gran interÈs por los investigadores. Una de las razones del gran esfuerzo dedicado al estudio del desgaste por
deslizamiento es su complejidad, especialmente en lo que se refiere a los m˙ltiples mecanismos involucrados. En el
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desgaste por deslizamiento est·n presentes mecanismos de adhesiÛn, formaciÛn y crecimiento de grietas sub-superficiales
por fatiga y formaciÛn de pelÌculas superficiales por procesos triboquÌmicos. TambiÈn ocurre abrasiÛn por microcorte,
surcado o formaciÛn de proas. Un esquema mostrando un sistema que sufre este tipo de desgaste es presentado en la
siguiente figura.
Figura. Ocurrencia de desgaste por deslizamiento
Experimentos con diferentes tipos de metales mostraron, que el deslizamiento produce deformaciÛn pl·stica en la superficie
y un gradiente de deformaciÛn bajo de la superficie desgastada. Variables relacionadas a las condiciones de contacto y otras
relacionadas con la microestructura de los materiales deslizantes, influyen en la intensidad de la deformaciÛn pl·stica de las
regiones debajo de esta.
Durante el desgaste por deslizamiento pueden ocurrir transiciones en la tasa de desgaste influenciadas por la carga,
velocidad y distancia de deslizamiento o condiciones ambientales tales como temperatura, humedad, entre otros. Con el
aumento de la carga normal ocurre una transiciÛn de desgaste moderado para desgaste severo debido a la ruptura de la
pelÌcula de Ûxido formado durante el desgaste moderado. Arriba de esta transiciÛn, el desgaste aumenta linealmente con la
carga hasta que ocurre una segunda transiciÛn, donde el desgaste cambia de severo para moderado. A causa de esta segunda
transiciÛn se da la presencia de una nueva pelÌcula de Ûxido que se forma para altas temperaturas de contacto y cuya
estructura difiere de la estructura del Ûxido formado en el desgaste moderado.
Variables que influencian en el desgaste por deslizamiento
Muchas variables est·n involucradas en el comportamiento del desgaste por deslizamiento, tales como las variables
relacionadas con la geometrÌa del par deslizante y tambiÈn las variables metal˙rgicas, sin excluir las variables externas
como las condiciones de carga y las del medio interfacial y circundante. Seg˙n Zum Gahr, cada variable tiene una
naturaleza diferente en funciÛn de la etapa del proceso de deslizamiento. Variables como el trabajo ejercido, la masa de cada
cuerpo, las propiedades del material y la temperatura de la interfase, pueden ser consideradas como variables de entrada del
tribosistema. Por otro lado, estas pueden ser el resultado final del proceso, esto es, se pueden transformar en variables de
salida del tribosistema.
Deben ser considerados tambiÈn efectos como las vibraciones, calor generado, atmÛsfera y cambios de las propiedades de
los materiales. Como resultado final de la fricciÛn y desgaste, hay generaciÛn de productos indeseables, como fragmentos
de desgaste, ruido, calor y vibraciones.
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