Usure - Tribologia PDF 2021/2022

USURA - TRIBOLOGIA Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 1 La superficie di un componente metallico è spesso la parte più sollecitata sia da un punto di vista chimico che meccanico. Usura Fatica HCF Fatica da contatto Corrosione Ing. Lore...

USURA - TRIBOLOGIA Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 1 La superficie di un componente metallico è spesso la parte più sollecitata sia da un punto di vista chimico che meccanico. Usura Fatica HCF Fatica da contatto Corrosione Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 2 USURA: fenomeno metallurgico di danneggiamento superficiale che si manifesta quando 2 componenti realizzati in materiale metallico sono a contatto e in moto relativo fra di loro (sistema tribologico). La conseguenza dell’usura è la perdita di materiale da uno o da entrambi i corpi sottoforma di frammenti. Perdite eccessive di materiale portano al disservizio del componente => gravi disfunzioni in esercizio a causa di danneggiamenti superficiali. L’usura è una delle cause principali di guasti di organi meccanici. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 3 I costi dovuti ad attrito e usura sono molto alti: circa 4% PIL, di cui quasi il 25% potrebbe essere risparmiato con l’adozione di corrette soluzioni progettuali. NB. 10-30% energia prodotta industrialmente è dissipata in attriti. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 4 L’usura causa: aumento dei giochi, aumento della rumorosità, comparsa dei fenomeni d’urto, aumento di vibrazioni e sollecitazioni per fatica, distribuzione disuniforme delle tensioni, aumento del tasso d’usura per abrasione delle particelle formatesi, disservizio della macchina dopo un certo tempo. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 5  TRIBOLOGIA La tribologia è la scienza che studia l'attrito, la lubrificazione e l'usura di superfici a contatto e in moto relativo. Il suo nome deriva dal greco 'Τριβος' ("tribos") che significa 'strofinamento' e 'λόγος‘ ("logos") che significa 'ragionamento’. La tribologia tratta tutti gli aspetti: dell’attrito, della lubrificazione, dell’usura. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 6  SISTEMA TRIBOLOGICO Un tribo-sistema: dissipa energia per attrito; subisce perdita di materia sotto forma di frammenti => danneggiamenti superficiali o rotture = fenomeno dell’usura. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 7  PARAMETRI DEL SISTEMA TRIBOLOGICO Parametri strutturali: Proprietà meccaniche, chimiche e fisiche dei componenti Parametri operativi: Tipo di moto relativo ▪ Attrito Carico ▪ Usura Velocità ▪ Vibrazioni Temperatura ▪ Rumore Durata ▪ Riscaldamento Parametri di interazione: Tipo di contatto Tipo di lubrificazione Condiz. superficiali (rugosità, stato di ossidazione) Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 8 L’attrito (friction) è il fenomeno dissipativo provocato nei corpi solidi o fluidi dalla presenza di movimento. Ft che si oppone al Ft moto Coefficiente d’attrito µ Fn Statico Dinamico Il COEFFICIENTE di ATTRITO è una proprietà del sistema TRIBOLOGICO Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 9 L’ATTRITO dipende da vari fattori: ADESIONE: legame atomico, compatibilità tra i corpi in contatto; AMBIENTE: presenza di umidità, lubrificante, presenza di detriti; TEMPERATURA: stato di ossidazione, addolcimento, ricristallizzazione, trasformazioni di fase; VELOCITA’: riscaldamento per attrito, contatto non continuo; CARICO: area reale di contatto, rottura di film superficiali, scagliatura di ossidi; RUGOSITA’ SUPERFICIALE: modifica la geometria del contatto. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 10 Tipi di moto relativo tra due corpi a contatto. STRISCIAMENTO ROTOLAMENTO SFREGAMENTO (fretting) EROSIONE Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 11 Esistono diversi meccanismi di usura a seconda della tipologia dei materiali in contatto e delle condizioni di contatto: usura adesiva, usura abrasiva, usura per fatica da contatto, usura corrosiva, detta anche tribossidazione, (usura erosiva). Paranco-fune-fissa-B Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 12 1- Adesione 2- Abrasione 3- Fatica superficiale 4- Tribossidazione (5- Erosiva) Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 13  1 - USURA ADESIVA Tra due corpi a contatto in mutuo strisciamento dove i fenomeni di deformazione plastica e di adesione tra le asperità a contatto svolgono un’azione predominante nel rimuovere materiale dalle superfici. La superficie dei metalli è caratterizzata da un certo grado di rugosità  il contatto tra due corpi avviene su un numero limitato di punti. Le elevate pressioni di contatto locali e il calore generato dall’attrito possono produrre la formazione di microsaldature. A causa del moto relativo, le zone saldate una volta formate si vengono a separare (con o senza rimozione di materiale). Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 14 1. contatto macroscopico 2. contatto microscopico Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 15 Teoria di Archard: formazione di giunzioni plastiche tra le creste di rugosità a contatto quando localmente si supera il carico di snervamento del metallo. Frattura del metallo e trasferimento di un frammento Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 16 Le giunzioni possono essere: più resistenti del/i metallo/i base (in metalli identici o compatibili), meno resistenti del/i metallo/i base (in metalli non compatibili). ⇒ Metalli identici: frattura non in corrispondenza della giunzione ma USURA MASSIMA nel metallo base di uno o di entrambi elevata asportazione di i componenti. metallo ⇒ Metalli compatibili: frattura non in trasferimento di corrispondenza della giunzione ma frammenti tra i 2 metalli nel metallo più tenero. ⇒ Metalli non compatibili: frattura in USURA MOLTO corrispondenza della giunzione. CONTENUTA Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 17  Trasferimento di particelle di bronzo su superficie in acciaio Usura adesiva su pistone in lega di Al Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 18 Teoria di Archard: definizione di tasso (velocità) di usura W. Ipotesi: deformazione plastica sulle asperità con formazione di giunzioni plastiche per adesione → rottura e formazione di frammenti di usura. 𝑉 𝑊= 𝑠 Tasso di usura W: rapporto tra volume di materiale V che abbandona il sistema tribologico e la distanza di strisciamento percorsa s. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 19  Frammenti di usura adesiva di un campione di Ti-6Al-4V dopo strisciamento a secco contro un antagonista in acciaio Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 20  Se il processo di saldatura e rottura delle asperità superficiali provoca un trasferimento di metallo da una superficie all’altra, si viene a determinare un aumento del coefficiente di attrito (contatto tra metalli identici). Quando il fenomeno interessa porzioni estese delle superfici a contatto, tali da ridurre lo scorrimento relativo, si parla di “galling”. Il bloccaggio completo del movimento viene definito “grippaggio”. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 21  2 - TRIBOSSIDAZIONE E’ un caso particolare di usura corrosiva (causata dall’interazione delle superfici a contatto con un ambiente aggressivo). Il meccanismo di tribossidazione può essere così riassunto: 1. l’ambiente aggressivo può essere semplicemente l’aria (ricca di O2) che produce ossidazione superficiale; 2. il moto relativo produce distacco dei prodotti di corrosione (ossidi), 3. la perdita dell’ossido permette una nuova ossidazione della superficie. Favorita dalle elevate velocità di scorrimento (generano elevate T): es. acciai vscorrimento < 1 m/s, l’usura è tipicamente metallica; vscorrimento > 1 m/s, i fenomeni ossidativi diventano importanti. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 22 - La superficie di un acciaio in contatto con l’aria forma uno strato di ossido di ferro, che può avere un effetto benefico sull’usura. - Tuttavia gli ossidi di ferro sono duri e fragili e come tali vengono facilmente rimossi dallo sfregamento. - In questo modo si hanno velocità di usura molto elevate dovute ai regolari cicli di formazione e distruzione di tali film di corrosione. - I detriti formati possono innescare fenomeni di usura abrasiva. ARIA Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 23 L’entità del processo di usura sarà in questo caso correlata al grado di ossidazione delle superfici. Quest’ultima è fortemente dipendente dalla temperatura di flash raggiunta dalle asperità nel momento del contatto per effetto del carico e della velocità di moto relativo. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 24  Frammenti di usura di un campione di Ti-6Al-4V dopo strisciamento a secco contro un antagonista in acciaio (a) e sua superficie usurata (b) Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 25  3 - USURA ABRASIVA E’ dovuta alla diversa durezza dei corpi in contatto (usura a 2 corpi) o alla presenza di frammenti duri liberi di rotolare tra le due superfici (usura a 3 corpi)  produce il danneggiamento delle superfici. Es. uno dei due corpi a contatto è molto più duro ⇒ le sue asperità superficiali (o eventuali fasi dure affioranti) esercitano un’azione di taglio/deformazione della superficie più tenera ⇒ usura a 2 corpi. Es. i due corpi hanno durezze confrontabili ma ci sono particelle più dure interposte libere (es. sabbia..) ⇒ usura a 3 corpi. Abrasione a 2 corpi Abrasione a 3 corpi Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 26 Le particelle abrasive (o le asperità del corpo abrasivo) devono avere una durezza almeno 20-30% maggiore del corpo più tenero. I frammenti interposti tra le superfici possono derivare da un processo di usura adesiva. Sulla superficie abrasa si possono osservare due morfologie tipiche: formazione di solchi per deformazione plastica, senza asportazione di materiale  usura abrasiva per aratura; formazione di solchi e di trucioli che vengono rimossi  usura abrasiva per micro-intaglio. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 27 Azione abrasiva per aratura Azione abrasiva per microintaglio Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 28 Usura a 3 corpi: particelle, possono infiltrarsi tra le superfici a contatto e provocare importanti danneggiamenti superficiali Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 29  4 - USURA PER FATICA Si verifica tra due corpi a contatto per rotolamento, in presenza di una sollecitazione ciclica ed, eventualmente, anche di lubrificazione. In questo caso il coefficiente di attrito è piuttosto basso, spostando il punto di massima sollecitazione sotto la superficie. Il progressivo accumulo di danneggiamento nel materiale comporta la nucleazione e accrescimento di cricche di fatica. Le cricche intersecandosi portano al distacco di frammenti di usura. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 30 Attenzione: i difetti sub-superficiali sono particolarmente pericolosi. Teoria di Hertz: in assenza di attrito, lo sforzo massimo di taglio viene raggiunto in una zona sotto la superficie. Cricca con innesco superficiale Cricca con innesco sub-superficiale Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 31 Fretting: ha luogo quando scorrimenti alternativi di ampiezza molto piccola (0.01-0.25 mm) tra due superfici in contatto avvengono per un gran numero di cicli (es. vibrazioni). Effetti: usura superficiale e innesco di piccole cricche per fatica. L’entità del danneggiamento superficiale è molto più grande di quanto faccia pensare l’ordine di grandezza delle distanze di scorrimento. Usura e fatica da fretting sono presenti in quasi tutte le macchine e sono la causa iniziale della rottura di molti componenti robusti. A causa della piccola ampiezza dello scorrimento i detriti prodotti sono spesso trattenuti all’interno della zona di contatto accelerando il processo di usura. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 32 Il fenomeno del fretting può essere accelerato ulteriormente dalla corrosione e dalla temperatura. Per ridurre gli effetti del fretting è possibile aumentare la pressione di contatto al fine di annullare gli spostamenti relativi. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 33  5- USURA EROSIVA Componente in contatto con un fluido in moto relativo con eventuale presenza di particelle solide => per effetto di azioni fluido-dinamiche (urti di particelle, ecc..) => perdita di materiale dalla superficie. L’ossido che si forma sulla superficie del metallo per effetto del contatto con il fluido, viene periodicamente eroso e riformato, consumando progressivamente il materiale. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 34 Cavitazione: si verifica nei fluidi che vanno ad alta velocità o posti in vibrazione (es. pale di giranti, parti di pompe, cilindri e iniettori di motori diesel). - Quando la pressione scende localmente al di sotto della pressione di vapore del liquido si possono formare delle bolle gassose. - Il rapido collasso di queste bolle produce onde d’urto che impattando la superficie del materiale, producono deformazioni plastiche locali, con la formazione di piccole pit (cavità). Aspetto spugnoso della superficie danneggiata Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 35  PER AUMENTARE LA RESISTENZA ALL’USURA lubrificazione ⇒ elimina il contatto metallo – metallo; impiego di materiali non compatibili; aumento della durezza del metallo (tempra + rinvenimento a bassa temperatura); aumentare le tensioni residue di compressione (pallinatura, incrudimento superficiale…) utilizzo di trattamenti di indurimento superficiale: ▪ tempra superficiale; ▪ cementazione (anche detta “carbocementazione”); ▪ nitrurazione.…. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 36  ESEMPI Zone diverse del pistone possono essere sottoposte a processi di usura diversi Erosione Adesione Tribossidazione Abrasione Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 37  ESEMPI Elemento 2 - cilindro: acciaio rivestito con PTFE Elemento 1 - pistone: acciaio rivestito con TiN (MoS2) Impiego di lubrificanti solidi Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 38 Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 39  Ingranaggi Freni, ganasce cuscinetti, camme pneumatici, scarpe guide di scorrimento riscaldamento per frizione lubrificazione materiali resistenti all’usura rivestimenti superficiali Minima usura USURA Massimo Minimo attrito attrito E ATTRITO Massima usura Materiali sacrificali Aumento dell’adesione matite gomme per cancellare lubrificanti solidi superfici di frizione Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – USURA – TRIBOLOGIA - 2021/2022 40