Usura e Tribologia: Fenomeni e Costi

Usura e Tribologia

• L'usura è il fenomeno di danneggiamento superficiale che si verifica quando due componenti metallici a contatto sono in moto relativo.
• L'usura comporta la perdita di materiale da uno o da entrambi i corpi sotto forma di frammenti.
• L'usura è una delle principali cause di guasti delle macchine e dei componenti meccanici.
• L'usura è un fenomeno metallurgico che si verifica nei sistemi tribologici.

Costi dell'Attrito e dell'Usura

• I costi dovuti ad attrito e usura sono molto elevati: circa il 4% del PIL mondiale.
• Quasi il 25% di questi costi potrebbe essere evitato con corrette soluzioni progettuali.
• Il 10-30% dell'energia prodotta a livello industriale è dissipata a causa degli attriti.

Conseguenze dell'Usura

• L'usura causa un aumento dei giochi meccanici.
• L'usura aumenta la rumorosità dei componenti.
• L'usura porta alla comparsa di urti e vibrazioni, incrementando le sollecitazioni di fatica.
• L'usura provoca una distribuzione non uniforme delle tensioni.
• L'usura aumenta il tasso di abrasione delle particelle formate, aggravando l'usura stessa.
• L'usura porta al deterioramento e al malfunzionamento della macchina.

Tribologia

• La tribologia è la scienza che studia l'attrito, la lubrificazione e l'usura delle superfici in contatto.
• Il termine "tribologia" deriva dalle parole greche "tribos" (strofinamento) e "logos" (ragionamento).
• La tribologia si concentra sullo studio dell'attrito, della lubrificazione e dell'usura.

Sistema Tribologico

• Un sistema tribologico è un sistema che dissipa energia per attrito.
• Un sistema tribologico subisce perdita di materia sottoforma di frammenti.
• I danneggiamenti e le rotture in un sistema tribologico sono correlati al fenomeno dell'usura.

Parametri del Sistema Tribologico

• I parametri strutturali di un sistema tribologico includono le proprietà meccaniche, chimiche e fisiche dei componenti.
• I parametri operativi comprendono:
  • Tipo di moto relativo
  • Carico
  • Velocità
  • Temperatura
  • Durata
• I parametri di interazione comprendono:
  • Tipo di contatto
  • Tipo di lubrificazione
  • Condizioni superficiali (rugosità, stato di ossidazione).

Attrito

• L'attrito è un fenomeno dissipativo che si verifica nei corpi solidi o fluidi in movimento.
• L'attrito è una forza, Ft, che si oppone al moto.
• Il coefficiente di attrito, µ, è una proprietà del sistema tribologico.
• Coefficiente di attrito statico rappresenta la forza necessaria per iniziare il movimento.
• Coefficiente di attrito dinamico rappresenta la forza necessaria per mantenere il movimento.

Fattori che Influenzano l'Attrito

• L'adesione: il legame atomico e la compatibilità tra i corpi a contatto.
• L'ambiente: la presenza di umidità, lubrificante e detriti.
• La temperatura: modifica le proprietà del materiale, come l'ossidazione, l'addolcimento, la ricristallizzazione e le trasformazioni di fase.
• La velocità: causa riscaldamento per attrito e contatto non continuo.
• Il carico: influenza l'area reale di contatto, la rottura dei film superficiali e lo scagliamento degli ossidi.
• La rugosità superficiale: modifica la geometria del contatto.

Tipi di Moto Relativo

• Strisciamento: un corpo striscia sull'altro.
• Rotolamento: un corpo rotola sull'altro.
• Sfregamento: un corpo vibra rispetto all'altro.
• Erosione: l'usura dovuta all'azione di particelle abrasive.

Esempi di Usura

• Zone diverse del pistone di un motore possono essere soggette a diversi tipi di usura.
• Erosione: particelle abrasive rimuovono il materiale.
• Adesione: il materiale si trasferisce da un corpo all'altro.
• Tribossidazione: il materiale si ossida a causa dell'attrito.
• Abrasione: l'usura dovuta al contatto con corpi duri.

Esempi di Sistemi Tribologici

• Motore a combustione interna: i pistoni, le bielle e gli alberi a camme sono soggetti a usura.
• Freni: le pastiglie e i dischi dei freni sono soggetti a usura.
• Pneumatici: gli pneumatici sono soggetti a usura per contatto con la superficie stradale.
• Ingranaggi: gli ingranaggi sono soggetti a usura a causa del loro contatto e movimento reciproco.

Strategie per Ridurre l'Usura

• L'utilizzo di lubrificanti solidi.
• L'utilizzo di rivestimenti superficiali resistenti all'usura.
• L'utilizzo di materiali resistenti all'usura.
• La progettazione ottimale dei componenti.
• La scelta dei materiali più appropriati per l'applicazione.

Relazione Tra Usura e Attrito

• L'usura è strettamente correlata all'attrito.

• Maggiore è l'attrito, maggiore è l'usura.

• L'attrito può essere minimizzato per ridurre l'usura.

• I materiali sacrificali sono utilizzati per proteggere le superfici dall'usura.

• Esempi di materiali sacrificali includono:

  • Matite
  • Gomme per cancellare
  • Lubrificanti solidi
  • Superfici di frizione

Considerazioni Finali

• L'usura è un fenomeno complesso che influenza le prestazioni e la durata dei componenti.
• La tribologia fornisce una base scientifica per la comprensione dell'attrito, della lubrificazione e dell'usura.
• L'applicazione dei principi tribologici può migliorare l'efficienza, prolungare la vita utile di un componente e ridurre i costi.

### Parametri del Sistema Tribologico

• I parametri del sistema tribologico sono suddivisi in tre categorie: strutturali, operativi e di interazione.
• I parametri strutturali includono le proprietà meccaniche, chimiche e fisiche dei componenti.
• I parametri operativi comprendono tipo di moto relativo, carico, velocità, temperatura e durata.
• I parametri di interazione si riferiscono al tipo di contatto, tipo di lubrificazione e condizioni superficiali (rugosità, stato di ossidazione).

Attrito

• L'attrito è un fenomeno dissipativo che si verifica nei corpi solidi o fluidi durante il movimento.
• La forza di attrito (Ft) si oppone al moto.
• Il coefficiente di attrito µ è una proprietà del sistema tribologico.
• Il coefficiente di attrito può essere statico o dinamico.
• L'attrito dipende da diversi fattori, tra cui adesione, ambiente, temperatura, velocità, carico e rugosità superficiale.

Tipi di Moto Relativo

• Esistono diversi tipi di moto relativo tra due corpi a contatto, tra cui strisciamento, rotolamento, sfregamento (fretting) ed erosione.

Meccanismi di Usura

• Esistono diversi meccanismi di usura a seconda dei materiali in contatto e delle condizioni di contatto, tra cui usura adesiva, usura abrasiva, usura per fatica da contatto, usura corrosiva (tribossidazione) e usura erosiva.

Usura Adesiva

• L'usura adesiva avviene quando la deformazione plastica e l'adesione tra le asperità a contatto sono i principali fattori di rimozione del materiale dalle superfici.
• Il contatto tra due corpi avviene in un numero limitato di punti, con conseguenti elevate pressioni di contatto locali e calore generato dall'attrito che possono produrre microsaldature.
• Le microsaldature si separano durante il movimento, con o senza rimozione di materiale.
• Le giunzioni possono essere più resistenti o meno resistenti del/i metallo/i base.
• L'usura adesiva può portare a un aumento del coefficiente di attrito e al "galling" (bloccaggio parziale del movimento).
• Il bloccaggio completo del movimento è definito "grippaggio".

Tribossidazione

• La tribossidazione è un caso particolare di usura corrosiva causata dall'interazione delle superfici a contatto con un ambiente aggressivo.
• Il processo prevede l'ossidazione superficiale, il distacco dei prodotti di corrosione e la nuova ossidazione della superficie.
• La tribossidazione è favorita dalle elevate velocità di scorrimento, che generano elevate temperature.

Usura Abrasiva

• L'usura abrasiva è dovuta alla diversa durezza dei corpi a contatto (usura a 2 corpi) o alla presenza di frammenti duri liberi di rotolare tra le due superfici (usura a 3 corpi).
• L'usura a 2 corpi si verifica quando un corpo più duro taglia o deforma la superficie più tenera.
• L'usura a 3 corpi si verifica quando particelle dure interposte tra le due superfici causano abrasione.

Esempio di Applicazione

• Zone diverse del pistone possono essere soggette a diversi processi di usura, come erosione, adesione, tribossidazione e abrasione.
• L'uso di lubrificanti solidi e rivestimenti superficiali può ridurre l'usura.

Relazione Tra Attrito e Usura

• L'attrito e l'usura sono fenomeni interconnessi.
• L'attrito può causare usura e l'usura può influenzare l'attrito.
• In alcune applicazioni, l'attrito è desiderabile (es. freni, pneumatici), mentre in altre è indesiderabile (es. cuscinetti).
• La scelta dei materiali e dei lubrificanti è fondamentale per minimizzare l'usura e ottimizzare l'attrito.

Questo quiz esplora i concetti di usura e tribologia, evidenziando come il danneggiamento superficiale influisca sui componenti meccanici. Analizzeremo anche i costi economici associati all'attrito e all'usura, e le conseguenze che questi fenomeni possono avere su macchine e sistemi industriali.