Tribología: Fricción (ISFD-09-FRICCION) PDF

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Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción 9 Tribología: Fricción Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 1/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción INDICE Tribología Fricción Descripción del fenómeno de la fricción. Medida de la fricción Fricción en metales Fricción en cerámicas Fricción en polímeros Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 2/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción TRIBOLOGIA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 3/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción TRIBOLOGIA La Tribología es la parte de la Ingeniería y de la Ciencia de Materiales que estudia los fenómenos de fricción lubricación y desgaste. Sus orígenes como especialidad bien diferenciada se remontan a los años 40, pero fue en 1966, en el Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge, cuando recibió el nombre oficial de Tribología, derivado del griego  = rozamiento. La tribología ha recibido una atención creciente en los últimos 30 años, debido entre otras cosas al elevado gasto económico y medioambiental causado por los problemas de fricción y desgaste. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 4/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 5/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Transporte de una estatua colosal pintada en la tumba de Dyehutyhotep, El Berseheb (1880 a.C.) Transportando la estatua de Ti en una tumba de Saqqara (2446-2426 a.C.) Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 6/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Invento de la rueda en Asia hacia el 8000 a.C. Los restos de ruedas más antiguos datan de 3500 a.C. en Mesopotamia Hay evidencias del uso de grasa animal para lubricar los ejes de carros egipcios del 1400 a.C. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 7/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Uso de animales muertos,que por su naturaleza gelatinosa-viscosa, cuando son aplastados, pueden funcionar como lubricantes. Reloj de la Catedral de Wells, usa por primera vez rodamientos y engranajes de metal. S XIV-XV Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 8/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Leonardo da Vinci (1452-1519) Codex Atlanticus y Codex Arundel “Un cuerpo establece una resistencia de fricción que es igual a ¼ del peso del cuerpo” La fricción es independiente del área de contacto. La resistencia de fricción es proporcional a la carga aplicada (peso del cuerpo). Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 9/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Guillaume Amontons (1663-1705) Deslizamiento seco de dos superficies planas: La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano. La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque. La fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto. Leonhard Euler (1707-1783) µest. ≠ µdin. La fricción es originada por pequeñas irregularidades triangulares. Charles-Agustin Coulomb (1736-1806) La fuerza de fricción es independiente de la velocidad y se debe por el entrelazamiento de protuberancias. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 10/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA Frank Philip Bowden (1903-1968) David Tabor (1913-2005) Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 11/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción HISTORIA DE LA TRIBOLOGIA El Jost Report (1966) advertía que una adecuada comprensión de los problemas tribológicos y de las tecnologías adecuadas para solucionarlos puede conducir a grandes ahorros (515 millones de Prof H Peter Jost £ en 1966), según la siguiente estimación: 1921 – 2016 AHORRO GRACIAS A BUENAS PRACTICAS TRIBOLOGICAS “If in the days of Newton, Ahorro en energía gracias a una fricción más baja......................... 5% bananas had been available Ahorro en mano de obra.................................................................... 2% and Newton had slipped on Ahorro en lubricantes......................................................................... 2% one of them, the laws of Ahorro en gastos de mantenimiento y repuestos........................... 45% tribology would have been enunciated by him there Ahorro debido a un menor número de averías............................... 22% and then” Ahorro genérico en inversiones....................................................... 4% Ahorro gracias al aumento de vida útil de las plantas.................... 20% Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 12/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción En 2017, Kenneth Holmberg (VTT-Technical Research Center of Finland) y Ali Erdermir (Texas A&M University) volvieron a hacer cálculos y concluyeron: 23% de todo el consumo energético global se origina en contactos tribológicos. De ello, un 20% son pérdidas por fricción y 3% en reparación y sustitución de piezas dañadas por desgaste. Aprovechándose de los avances en tribología, las pérdidas de energía por fricción y/o desgaste en vehículos, maquinaria y equipamiento en general podrían reducirse un 40% en 15 años a nivel global (1,4%PIB y 8,7% del consumo energético total). El consumo de CO2 se reduciría en 3140 MtCo2 (millones de toneladas) => 970000 M€ Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 13/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción LA FRICCIÓN EN AUTOMOCION Desglose del consumo energético de un coche de pasajeros Fuente: Tribology International 47 (2012) 221–234 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 14/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción LA TRIBOLOGIA ES MULTIDISCIPLINAR Matemáticas Nanotecnologías Mecánica de Sólidos Química de Superficies Física Mecánica de Fluidos FRICCION DESGASTE LUBRICACION Química Orgánica Ciencia de Materiales Técnicas de Mantenimiento Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 15/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 16/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción LEYES DE LA FRICCION Las “leyes de la fricción” se remonta al siglo XVIII (Amontons – Coulomb), estableciéndose históricamente que: 1. Hay una fuerza de fricción, opuesta al movimiento, que es proporcional a la fuerza normal entre superficies en contacto 2. La fuerza de fricción es 3. La fuerza de fricción Fricción independiente de la es independiente del estática>dinámica>rodadura velocidad de área de contacto. deslizamiento FN Ley Amontons/Coulomb  Ftg=FN v Ftg Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 17/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción EXPLICACION DE LAS LEYES DE LA FRICCION Sin embargo ….. El origen de estas discrepancias es complejo y tiene muchas causas, principalmente microscópicas. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 18/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción EXPLICACION DE LAS LEYES DE LA FRICCION “… deslizar dos sólidos (pulidos) es como colocar Suiza del revés sobre Austria - El área real de contacto será muy inferior a la común en contacto aparente“. (Bowden, 1950) El Área real de contacto parece tener por tanto un papel relevante en la fricción Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 19/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción PRESION vs AREA DE CONTACTO El Área de contacto real será la suma de infinidad de pequeñas micro-áreas. Su magnitud puede modelizarse de forma sencilla mediante teoría del contacto elástico-plástico (Hertz) 2 3 3 Área contacto 3𝜋 𝑊𝑅 𝐴𝑖 = ; 4𝐸 ∗ 1 ∗2 3 1 6𝑊𝐸 Presión contacto 𝑃𝑖−𝑚𝑎𝑥 = 𝜋 𝑅2 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 20/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción EXPLICACION DE LAS LEYES DE LA FRICCION La paradójica tercera ley se explica teniendo en cuenta que el área REAL de contacto aumenta a medida que aumenta la presión de contacto. De hecho, puede demostrarse que, para la mayor parte de los materiales, este aumento es proporcional a la fuerza de contacto, lo que explica también la primera ley y permite definir un COEFICIENTE DE FRICCION:  =F / W Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 21/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción EXPLICACION DE LAS LEYES DE LA FRICCION µ = Ft/Fn Ar = A Ar  A F tangencial Ar W= A·H =A·3σy Si se aplica el criterio de Tresca, que dice que para metales y en cizalladura pura, el stress límite de cizalladura es ½ del estrés uniaxial, σy. Entonces, cuando va a comenzar el deslizamiento, la fuerza de cizalla (tracción), sería: 𝜎𝑦 𝜎𝑦 𝑊 𝜎𝑦 𝑊 𝑊 1 𝐹= ∙𝐴 = = = → 𝜇 = = 0,166 2 2 𝐻 2 3 ∙ 𝜎𝑦 6 6 Pero los coeficientes de fricción entre metales son generalmente mayores…se debe al llamado Work Hardening o al crecimiento de las uniones. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 41/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES : MODELO DE CRECIMIENTO DE UNIONES (TABOR -1959) Entre dos superficies en movimiento, el flujo de material en la intercara tiene la capacidad de aumentar la superficie en contacto sin aumentar la fuerza normal. Los modelos de crecimiento de uniones se refinan atendiendo a que los esfuerzos críticos de cizalladura de las intercaras son inferiores a los de los materiales. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 42/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES:DEPENDENCIA DEL ENTORNO Fuente: Materials Today Volume 17, Number 1 January/February 2014 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 43/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: DEPENDENCIA DE LA CARGA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 44/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: DEPENDENCIA DE LA CARGA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 45/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: VELOCIDAD Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 46/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: VELOCIDAD Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 47/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: ESTRUCTURA CRISTALINA Grey Tin < 13ºC => Diamond type cristal structure (fcc) White Tin >13ºC => body- centered tetragonal Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 48/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: ESTRUCTURA CRISTALINA Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 49/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN METALES: DUCTILIDAD FCC metals BCC metals HCP metals Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 50/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN MATERIALES CERAMICOS Los coeficientes de fricción suelen Los mecanismos de adhesión son ser mas bajos que en el caso de los menos activos debido a la metales,  = 0,2 - 0,8. dificultad para formar enlaces Los mecanismos de deformación tampoco son demasiado activos ya La formación de grietas es en ocasiones que los materiales tienen menos un mecanismo relevante de fricción. planos de deslizamiento. Las capas de óxido, su hidratación o la absorción de moléculas tiende a reducir el coeficiente de fricción. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 51/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN MATERIALES CERAMICOS Efecto de la carga Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 52/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN MATERIALES CERAMICOS Efecto de la Temperatura AlTiN films por PVD Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 53/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN MATERIALES CERAMICOS Efecto de la velocidad Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 54/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN MATERIALES CERAMICOS Efecto del ambiente Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 55/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción TRIBOQUIMICA: RELEVANCIA DE LA HUMEDAD Las simulaciones basadas en dinámica molecular permiten entender el papel jugado por las moléculas de agua en la modificación de la tribocapa. First-Principles Molecular Dynamics Study of Silicon-Based Ceramics: Different Tribochemical Reaction Mechanisms during the Running-in Period of Silicon Nitride and Silicon Carbide. Yusuke Ootani, Jingxiang Xu, Koshi Adachi, and Momoji Kubo. The Journal of Physical Chemistry. C 2020 124 (37), 20079-20089. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c04613 Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 56/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS Hay una dependencia mayor que Los COF suelen ser mas bajos que para otros materiales de la carga, en el caso de los metales o la velocidad de deslizamiento y cerámicas,  = 0,1 - 0,5. de la temperatura. Dado su bajo cociente E/H, el contacto Adhesión y deformación (ciclos de entre polímeros es predominantemente histéresis anelástica), son los elástico. En superficies poco rugosas principales mecanismos de fricción. ello conduce a una disminución de  al aumentar la carga. La transferencia de películas de polímero a la otra superficie en contacto da lugar a mecanismos de lubricación sólida que reducen la fricción, incluso por debajo de 0,1. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 57/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS: Comportamiento visco-elástico Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 58/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS: CARGA PMMA con acabado del torno => Ra alto PMMA con acabado pulido fino => Ra bajo Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 59/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS Fuente: Engineering Tribology; Stachowiak GW & Batchelor AW Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 60/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS: TEMPERATURA Effect of external temperature on friction coefficients of steel sliding against unlubricated plexiglass for varying sliding speed Fuente: Engineering Tribology; Stachowiak GW & Batchelor AW Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 61/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción FRICCION EN POLIMEROS https://www.hardiepolymers.com/knowledge/what-determines-friction-between-thermoplastic-components/ Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 62/63 Ingeniería de Superficies, Fricción y Desgaste 9. Fricción ALGO PARA RECORDAR Los puntos a destacar de este tema son: El objeto de estudio de la tribología, su historia y la razón de su complejidad a la hora de investigar fenómenos aparentemente imples como la fricción o el desgaste. Las leyes clásicas de la fricción y su dependencia del concepto de “área real de contacto” que, a su vez, depende de la naturaleza plástica de los puntos de contacto entre superficies. Los métodos de medida de la fricción. La fricción en materiales metálicos y su dependencia de la estabilidad de la capa de óxido superficial. Las particularidades de la fricción en los materiales cerámicos y poliméricos. Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación ETSIIIT/UPNA, 4/11/2024 63/63