desgaste por fatiga en deslizamiento y por contacto de rodadura en aceros aisi 4320 8620 4140 y o1...
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN
DESGASTE POR FATIGA EN DESLIZAMIENTO Y POR
CONTACTO DE RODADURA EN ACEROS AISI 4320, 8620, 4140 Y O1 BASE Y CON RECUBRIMIENTOS
DUROS DE TiN, CrN Y WC/C
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS CON
ESPECIALIDAD EN INGENIERIA MECANICA
P R E S E N T A:
M. en C. EDGAR ERNESTO VERA CARDENAS
DIRECTOR:
DR. MANUEL VITE TORRES
Mxico, D.F. Septiembre, 2009
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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL SECRETARA DE INVESTIGACIN Y POSGRADO
CARTA CESIN DE DERECHOS
En la Ciudad de Mxico, Distrito Federal, el da 22 del mes Junio del ao 2009, el (la) que
suscribe EDGAR ERNESTO VERA CARDENAS alumno (a) de l Programa de
DOCTORADO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERA MECNICA con
nmero de registro B041003, adscrito a la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin de
la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de
Tesis bajo la direccin del DR. MANUEL VITE TORRES y cede los derechos del trabajo
intitulado DESGASTE POR FATIGA EN DESLIZAMIENTO Y POR CONTACTO DE
RODADURA EN ACEROS AISI 4320, 8620, 4140 Y 01 BASE Y CON
RECUBRIMIENTOS DUROS DE TiN, CrN Y WC/C, al Instituto Politcnico Nacional para
su difusin, con fines acadmicos y de investigacin.
Los usuarios de la informacin no deben reproducir el contenido textual, grficas o datos del
trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido
escribiendo a la siguiente direccin [email protected]. Si el permiso se otorga, el usuario
deber dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
Nombre y firma
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4
RESUMEN
Se analiza el desgaste producido en las superficies de contacto sometidas a
Fatiga por Contacto de Rodadura (FCR) y Fatiga por Contacto de Deslizamiento
(FCD), las cuales fueron recubiertas con materiales duros tales como: nitruro de
titanio, carburo de tungsteno, cromo duro, y nitruro de cromo y algunos
tratamientos trmicos tradicionales como: Templado y revenido, cementado, y
nitrurado. Se utilizaron materiales base que estn normalizados para la fabricacin de rodamientos tales como: Acero AISI 4320, 4140, 8620, 1045, O1.
La metodologa experimental utilizada fue propuesta y utilizada especficamente
para estos trabajos, dado que no se cuenta con normas que la indiquen.
Los ensayos de FCR se realizaron en el Laboratorio de Tribologa de la SEPI-
ESIME-Zacatenco del IPN. Se utiliz una mquina, en la cual se coloc la probeta
en un eje giratorio y se hace cargar sobre una base con balines, que provocan el
contacto puntual en la superficie de la probeta. La velocidad de rotacin y la carga
son variables. Todas las pruebas se hicieron en condiciones lubricadas con aceite.
Se caracterizaron las probetas, obteniendo la microdureza y espesor de los
recubrimientos y rugosidad superficial.
Las condiciones de operacin para los ensayos se determinaron con el fin de
provocar en los materiales usados una falla por fatiga, sobrepasando su lmite
elstico cinemtico.
Los resultados obtenidos en algunos de los casos fueron adecuados con el fin de
hacer algunas recomendaciones sobre el uso de materiales base y recubrimientos
en la fabricacin de elementos sometidos a FCR.
Los ensayos de desgaste por deslizamiento se llevaron a cabo en el Laboratorio
de Tribologa de la Universidad de Sheffield, Reino Unido. Se utiliz una mquina
reciprocante en condiciones secas a temperatura ambiente. Se obtuvieron
imgenes con microscopia ptica y electrnica. Tambin fue posible obtener la
variacin del coeficiente de friccin respecto al nmero de ciclos. Los resultados
mostraron un alto rendimiento del recubrimiento de WC/W, debido principalmente
a su bajo coeficiente de friccin.
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5
ABSTRACT
We analyze the wear produced in the contact surfaces subjected to rolling contact
fatigue (RCF) and Sliding Contact Fatigue (SCF), which were coated with hard
materials such as titanium nitride, tungsten carbide, hard chrome and chromium
nitride and some traditional treatments such as: Hardened and tempered,
cemented, and nitriding. Some steels were used like substrates that are standard
to manufacture bearings such as AISI 4320, AISI 4140, AISI 8620 and AISI O1.
The experimental methodology used was proposed and used specifically for this
work.
RCF tests were conducted at the Laboratory of Tribology of SEPI-ESIME
Zacatenco of IPN. The RCF tester basically consists of a motor that spins a shaft in
which the pieces are put to test. The rotation speed and load vary. All tests were
made in lubricated conditions.
The specimens were characterized obtaining the microhardness, the thickness of
coatings and surface roughness.
Operating conditions for testing were determined to cause failure on the materials,
exceeding its elastic cinematic limit.
The results obtained in some cases were appropriate to make recommendations
on the use of base materials and coatings in the manufacture of components
subjected to RCF.
The sliding wear tests were conducted at the Laboratory of Tribology, at the
University of Sheffield, United Kingdom. A reciprocating machine was used in dry
conditions at room temperature. Images were obtained with optical and electronic
microscopy. It was also possible to obtain the variation of friction coefficient versus
number of cycles. The results showed a high performance of WC/W coating,
mainly due to its low coefficient of friction.
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CONTENIDO
Pag.
Resumen i
Abstract ii
ndice de Figuras vii
ndice de Tablas x
Nomenclatura x
Introduccin xiii
Objetivos xv
Antecedentes xvi
Justificacin
xvii
CAPITULO I CONTACTO ENTRE SLIDOS Y DESGASTE POR FATIGA
1.1 Fundamentos del contacto entre slidos 1
1.1.1 Superficies de contacto 3
1.1.2 Campos de esfuerzo por indentacin elstica 5
1.1.2.1 Contacto puntual. 6
1.1.2.2 Contacto lineal 12
1.2 Contacto friccionante 16
1.2.1 Friccin en contacto por rodamiento 18
1.2.2 Contacto por deslizamiento entre cuerpos slidos 19
1.2.3 Efecto del calor en el contacto de asperezas 20
1.3 Desgaste por Fatiga 20
1.3.1 Fundamentos del desgaste por fatiga 20
1.3.2 Desgaste por FCR 22
1.3.2.1 Factores que afectan la resistencia a FCR 25
1.3.2.2 Mtodos de prueba de FCR 26
1.3.3 Desgaste por contacto de deslizamiento 26
1.3.3.1 Mtodos de prueba de deslizamiento 27
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7
1.3.3.2 Ecuacin de Archard para desgaste por deslizamiento 28
Referencias 30
CAPITULO II INTRODUCCION A LOS TRABAJOS EXPERIMENTALES DE DESGASTE POR FCR Y DESLIZAMIENTO
2.1 Desgaste por FCR 33
2.2 Desgaste por deslizamiento 42
Referencias 50
CAPITULO III RECUBRIMIENTOS DUROS 3.1 Antecedentes 53
3.2 Clasificacin de los recubrimientos duros 55
3.3 Propiedades y aplicaciones 56
3.3.1 Dureza 56
3.3.2 Resistencia al impacto 58
3.3.3 Resistencia a altas temperaturas 59
3.3.4 Resistencia a la corrosin 60
3.4 Tcnicas de aplicacin de los recubrimientos duros 60
3.4.1 Tratamientos electroqumicos 60
3.4.2 Proceso PVD 61
3.4.2.1 Evaporacin 62
3.4.2.2 Chapeado inico 63
3.4.2.3 Espurreo inico 64
Referencias 67
CAPITULO IV DESARROLLO EXPERIMENTAL 4.1 Ensayos de FCR 70
4.1.1 Mquina tribolgica de FCR 70
4.1.2 Seleccin de sustratos y recubrimientos duros 71
4.1.3 Preparacin de las muestras 75
4.1.4 Tipo de falla 76
4.1.5 Aplicacin de defectos artificiales 80
4.1.6 Tamao de muestra para los ensayos 80
4.1.7 Seleccin de velocidad y tribosistema lubricado 81
-
8
4.1.8 Mxima presin hertziana Po y carga de trabajo 82
4.1.9 Medicin de dureza y Microdureza 83
4.1.10 Medicin de rugosidad 84
4.1.11 Microscopa ptica y microscopa electrnica de barrido 85
4.1.12 Procedimiento general de la prueba experimental 86
4.1.13 Clculo del nmero de ciclos de carga 88
4.2 Desgaste por deslizamiento 88
4.2.1 Mquina de pruebas experimentales 89
4.2.2 Materiales y recubrimientos duros 90
4.2.3 Preparacin de muestras 90
4.2.4 Carga, frecuencia y amplitud de desplazamiento 91
4.2.5 Medicin de microdureza 92
4.2.6 Medicin de rugosidad 92
4.2.7 Procedimiento de prueba 92
4.2.8 Microscopa ptica 93
4.2.9 Microscopa electrnica de barrido (MEB) 94
4.2.10 Perfiles de rugosidad 94
4.2.11 Volumen de desgaste 95
Referencias 97
CAPITULO V RESULTADOS Y DISCUSION 5.1 Desgaste por FCR 100
5.1.1 Microscopa ptica y electrnica 100
5.1.2 Ciclos de duracin en FCR 111
5.1.3 Variacin de la temperatura del lubricante 117
5.1.4 Discusin de resultados en FCR 118
5.2 Desgaste por deslizamiento 121
5.2.1 Coeficiente de friccin 122
5.2.2 Volumen de desgaste 125
5.2.3 Microscopa ptica y electrnica 131
5.2.4 Discusin de resultados 136
Referencias 140
-
9
CONCLUSIONES
141
TRABAJOS FUTUROS 144
-
10
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Contacto puntual 6
Figura 1.2. Contacto lineal 15
Figura 3.1. Esquema general del proceso PVD. 61
Figura 3.2. Tcnica de depsito de vapores. 62
Figura 3.3. Proceso PVD mediante evaporacin por haz de electrones 63
Figura 3.4. PVD mediante espurreo por bombardeo de iones de gas inerte. 66
Figura 4.1. Mquina de ensayos de FCR 71
Figura 4.2. a) Dimensiones de la probeta, b) Probeta metlica
manufacturada
75
Figura 4.3. a) Durmetro universal, b) Microdurmetro 84
Figura 4.4. Rugosmetro 85
Figura 4.5. Microscopios pticos. a) Marca Olympus, b) Marca Lieder 85
Figura 4.6. Microscopio electrnico de barrido (MEB). Laboratorio de
Microscopia Electrnica de la ESIQUIE-IPN
86
Figura 4.7. Diagrama de la mquina reciprocante de alta frecuencia. 89
Figura 4.8. Mquina de desgaste reciprocante de alta frecuencia. 89
Figura 4.9. Microscopio ptico 93
Figura 4.10. Microscopio electrnico de barrido (MEB) del Instituto de
Investigacin KROTO de la Universidad de Sheffield, UK.
94
Figura 4.11 Perfilmetro SV-614 Mitutoyo 95
Figura 4.12. Huella de desgaste perfecta. 95
Figura 4.13. Volumen de desgaste en la bola 96
Figura 5.1. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 4140 con distintos tratamientos termoqumicos y
recubrimientos duros.
101
Figura 5.2. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 4140 con recubrimiento duro de TiN.
102
Figura 5.3. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de 103
-
11
desgaste en acero 4320 cementado.
Figura 5.4. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 4320 con recubrimiento duro de TiN.
104
Figura 5.5. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 4320 con recubrimiento duro de CrN.
105
Figura 5.6. Microscopa ptica de las zonas de desgaste en acero 8620
cementado.
106
Figura 5.7. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 8620 con recubrimiento duro de TiN.
107
Figura 5.8. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero 8620 con recubrimiento duro de CrN.
108
Figura 5.9. Probetas ensayadas y microscopa ptica de las zonas de
desgaste en acero O1 con distintos tratamientos termoqumicos.
109
Figura 5.10. Microscopia electrnica de barrido acero 4320 con CrN 110
Figura 5.11. Microscopia electrnica de barrido acero 8620 con TiN 111
Figura 5.12. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 4140 templado,
nitrurado y con cromo duro contra una bola de acero AISI 52100.
112
Figura 5.13. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 4140 con TiN
contra una bola de acero AISI 52100.
112
Figura 5.14. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 4320
cementado contra una bola de acero AISI 52100.
113
Figura 5.15. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 4320 con TiN
contra una bola de acero AISI 52100.
113
Figura 5.16. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 8620
cementado contra una bola de acero AISI 52100.
114
Figura 5.17. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero 8620 con TiN
contra una bola de acero AISI 52100.
114
Figura 5.18. Millones de ciclos de duracin en FCR del acero O1 templado,
nitrurado y cementado contra una bola de acero AISI 52100.
115
Figura 5.19. Duracin promedio en millones de ciclos en FCR, de diferentes
tratamientos termoqumicos y sustratos.
115
-
12
Figura 5.20. Duracin en millones de ciclos en FCR, del recubrimiento de
TiN en diferentes sustratos.
116
Figura 5.21. Duracin promedio en millones de ciclos en FCR del
recubrimiento de CrN en diferentes sustratos.
116
Figura 5.22. Temperatura del lubricante en funcin del tiempo en ensayos
con acero 4140 templado, nitrurado y con cromo duro.
117
Figura 5.23. Temperatura del lubricante en funcin del tiempo en ensayos
con acero O1 templado, nitrurado y cementado.
118
Figura 5.24. Coeficiente de friccin contra nmero de ciclos en TiN. 122
Figura 5.25. Coeficiente de friccin contra nmero de ciclos en CrN 123
Figura 5.26. Coeficiente de friccin contra nmero de ciclos en WC/C. 124
Figura 5.27. Perfil de rugosidad en acero 4320 con recubrimiento de TiN. 126
Figura 5.28. Perfil de rugosidad en acero 8620 con recubrimiento de CrN. 126
Figura 5.29. Perfil de rugosidad en acero 4320 con recubrimiento de WC/C. 127
Figura 5.30. Perfil de rugosidad en acero 4320 sin recubrimiento. 127
Figura 5.31. Perfil de rugosidad en acero 8620 sin recubrimiento. 127
Figura 5.32. Perfil de rugosidad en acero 4140 sin recubrimiento. 128
Figura 5.33. Volumen de desgaste especfico de bolas de acero AISI 52100
contra recubrimiento de TiN
129
Figura 5.34. Volumen de desgaste especfico de bolas de acero AISI 52100
contra recubrimiento de CrN
129
Figura 5.35. Volumen de desgaste especfico de bolas de acero AISI 52100
contra recubrimiento de WC/C
130
Figura 5.36. Volumen de desgaste especfico de bolas de acero AISI 52100
contra sustratos.
131
Figura 5.37. Microscopa ptica de recubrimientos y sustratos 132
Figura 5.38. Microscopa ptica de bolas (AISI 52100) 135
Figura 5.39. Microscopia electrnica de barrido (MEB) en acero 8620 con
TiN.
136
Figura 5.40. Microscopa electrnica de barrido (MEB) en acero 4320 con
CrN.
136
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13
Figura 5.41. Microscopa electrnica de barrido (MEB) en acero 4140 con
CrN.
136
INDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Propiedades de los recubrimientos duros. 58
Tabla 3.2. Temperatura y resistencia a la corrosin de algunos
recubrimientos
59
Tabla 4.1. Composicin qumica del acero 4140 72
Tabla 4.2. Composicin qumica del acero 8620 73
Tabla 4.3. Composicin qumica del acero 4320 73
Tabla 4.4. Composicin qumica del acero O1 74
Tabla 4.5. Propiedades de los recubrimientos duros 74
Tabla 4.6 Propiedades de las muestras para FCR 76
Tabla 4.7. Condiciones de operacin para FCR 87
Tabla 4.8. Propiedades de las muestras para deslizamiento. 91
Tabla 4.9. Condiciones de operacin para deslizamiento 93
NOMENCLATURA
Ar rea real de contacto [m2] n Nmero de asperezas por unidad de rea aparente de contacto A rea aparente de contacto [m2]
* Distancia de correlacin [m]
z* Ordenada normalizada, z*= z/
N Razn de picos a las ordenadas, N=1/3 d Separacin entre los planos de cada superficie [m], d= h/
C Curvatura de aspereza, C= l2/r
h Separacin del plano principal [m]
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14
Rugosidad RMS [m] l Intervalo de prueba. l= 2.3* [m]
f* Funcin de densidad de altura de picos y curvaturas r Radio de aspereza principal [m]
W Carga total [N] E Mdulo de Young compuesto [Pa]
z Esfuerzo normal en direccin z [Pa] Pm Presin de contacto [Pa] r Radio de la esfera [m] a Radio del circulo de contacto [m] Relacin de Poisson [Pa] E Mdulo de elasticidad [Pa]
Esfuerzo tangencial [Pa]
rz Esfuerzo cortante [Pa] B Presin de contacto [Pa], B= W/Ar
Q Taza de desgaste [mm3/Nm]
VW Volumen de desgaste [mm3]
nF Fuerza normal [N]
x Distancia de deslizamiento [m] n Nmero de ciclos
0h Espesor mnimo de pelcula lubricante [mm]
A Rugosidad media del cuerpo A (bola) [m] B Rugosidad media del cuerpo B (probeta) [m] Coeficiente de espesor de pelcula lubricante Q Volumen de material desgastado [mm3] W Carga normal soportada por cada una de las asperezas [N] H Dureza de la superficie [Pa]
K Coeficiente de desgaste
-
15
D Tamao de grano [m]
Mi Masa del in incidente [gr]
Mt Masa del blanco [gr]
Ei Energa cintica del in incidente [ J]
U Calor de sublimacin del material del blanco
J Densidad de corriente de iones [mA/cm2]
S Eficiencia de espurreo en tomos por in
MA Peso atmico [gr] Densidad [gr/cm3]
R Erosin del blanco por unidad de tiempo
Kk Lmite elstico cinemtico [Pa]
Po Mxima presin Hertziana [Pa]
Ra Rugosidad media [m]
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16
INTRODUCCION Antes de abordar el tema de desgaste por fatiga, es conveniente comentar el
concepto de Tribologa como una parte importante del estudio del desgaste entre
superficies interactuantes.
La palabra tribologa se deriva del trmino griego tribos, cuyo significado es
frotamiento o rozamiento, se puede decir entonces que su significado etimolgico
es: La ciencia del frotamiento o rozamiento.
Sin embargo, algunas fuentes, la definen como: La ciencia y tecnologa que estudia la interaccin de las superficies en movimiento relativo. La Tribologa, es el arte de aplicar un anlisis operacional a problemas relacionados
con confiabilidad, mantenimiento, y desgaste del equipo tcnico, abarcando desde
la tecnologa aeroespacial hasta aplicaciones domsticas. La correcta aplicacin
de esta ciencia, implica tener conocimiento de varias disciplinas incluyendo la
fsica, qumica, matemticas aplicadas, mecnica de slidos, mecnica de fluidos,
termodinmica, transferencia de calor, ciencia de materiales, lubricacin, diseo
de mquinas, desempeo y confiabilidad, entre las ms importantes.
La Tribologa se encuentra prcticamente en todos los aspectos de la maquinara,
motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribolgicos
ms comunes son: Rodamientos, sellos, anillos de pistones, embragues, frenos,
engranes y levas.
Este trabajo de investigacin aplicada se basa en la utilizacin de mtodos
experimentales empleando equipo y mquinas tribologicas que provocan un
desgaste por fatiga de rodadura y por deslizamiento.
El fenmeno de FCR, es el resultado de la aplicacin repetida de esfuerzos
cclicos de origen mecnico por la rodadura de un cuerpo sobre otro. Puede ocurrir
en cualquiera de los elementos involucrados siendo causa frecuente de falla en
elementos tales como: Partes de rodamientos, dientes de engranes, contacto
rueda riel y sistema leva seguidor.
El contacto por deslizamiento, se obtiene al desplazarse un cuerpo en contacto
sobre otro en forma paralela, aplicando una carga normal en la superficie de uno
-
17
de ellos. Este tipo de desgaste se puede localizar en los procesos de inyeccin de
plstico, herramientas de corte, punzonado, estampado y formado, entre otros.
El presente trabajo se divide en los siguientes temas:
El captulo 1, explica el fenmeno de desgaste por fatiga por contacto de rodadura
y desgaste por deslizamiento presente en muchos de los equipos y maquinaria
moderna. Se describen los tipos de falla provocados por ambos fenmenos, as
como su origen y forma de propagacin. As como los medios por los cuales poder
reducirlo significativamente.
En el captulo 2, se describe el estado del arte de trabajos experimentales
relacionados con el desgaste por FCR y desgaste por deslizamiento. Se presenta
un panorama general que incluye las primeras tcnicas empleadas para su
estudio, los materiales y equipo utilizado hasta el nuevo conocimiento generado
hoy en da.
El captulo 3, detalla ampliamente los tipos de tratamientos trmicos y
superficiales. Se mencionan sus aplicaciones, principalmente en la industria
metalmecnica principalmente.
El captulo 4, describe la metodologa experimental utilizada, donde se indica las
caractersticas del equipo empleado, condiciones de operacin (velocidad, carga,
lubricantes y tipo de lubricacin, etc.), tamao de muestreo, tipo de probetas, as
como dimensiones, fabricacin y preparacin de las mismas. Adems, se presenta
la caracterizacin de las pobretas utilizadas, dureza, rugosidad, espesor de
recubrimiento, microscopia electrnica, constitucin de la microestructura, etc.
En el captulo 5, se presentan los resultados obtenidos de los ensayos
experimentales, as como su discusin y anlisis correspondiente. Adems, se
muestran grficos de la duracin en millones de ciclos, de la variacin del
coeficiente de friccin, de los perfiles de rugosidad y de las tazas de desgaste.
Tambin se incluyen imgenes de microscopa ptica y microscopa electrnica de
barrido (MEB) de las zonas de mayor desgaste, mostrando el efecto daino
ocasionado por los esfuerzos de contacto.
Finalmente se detallan las conclusiones, en las cuales se mencionan los
resultados alcanzados y se evala el cumplimiento de los objetivos planteados.
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18
OBJETIVO GENERAL Analizar el comportamiento de los recubrimientos duros de TiN, CrN y WC/C y
tratamientos trmicos tradicionales aplicados sobre aceros AISI 4320, 8620, 4140
y O1 sometidos al desgaste por FCR y por deslizamiento, empleando mtodos
experimentales y equipos de visualizacin grfica, con la finalidad de aportar
nuevas metodologas y conocimiento innovador de su desempeo para el diseo y
fabricacin de mejores sistemas tribolgicos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Realizar la bsqueda de informacin relacionada con el fenmeno de fatiga
por contacto de rodadura y de deslizamiento, principalmente de trabajos
experimentales con recubrimientos duros aplicados sobre sustratos de
materiales metlicos.
2. Proponer una metodologa experimental para ensayos de FCR.
3. Analizar el dao superficial ocasionado por la fisura que se genera por la fatiga
del material, cuando es sometido a un contacto puntual.
4. Determinar la duracin en ciclos de los tratamientos termoqumicos
(temple/revenido, cementado y nitrurado) y de los recubrimientos duros de TiN,
CrN y WC/C.
5. Introducir un sistema de deteccin de la falla por FCR ms confiable, utilizando
tcnicas de ultrasonido o vibraciones.
6. Evaluar la resistencia a la fatiga por contacto por rodadura en los sustratos y
recubrimientos duros.
7. Determinar los coeficientes de friccin en contacto por deslizamiento de los
recubrimientos duros y validarlos con los proporcionados por otros autores.
8. Obtener los volmenes de desgaste en las pruebas de deslizamiento de los
recubrimientos duros.
9. Realizar microscopa ptica y electrnica de barrido de las muestras
ensayadas en FCR y en deslizamiento.
10. Hacer una comparacin del desempeo de los recubrimientos duros
empleados sometidos a FCR y a desgaste por deslizamiento.
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19
ANTECEDENTES El rea de la tribologa de la SEPI-ESIME nace a partir de los trabajos realizados
en la fabricacin y diseo de prototipos funcionales de mquinas tribologicas tales
como: Mquina de fatiga por contacto de rodadura, mquina de cilindros cruzados,
mquina para pruebas de abrasin, etc. A partir de esto, ha sido posible realizar
diferentes investigaciones de carcter experimental, las cuales han sido objeto de
publicaciones en congresos nacionales e internacionales y en revistas
especializadas sobre tribologa.
Una de las mquinas tribolgicas utilizadas en este trabajo, es aquella que realiza
pruebas de desgaste por fatiga en contacto de rodadura (FCR), la cual se dise y
construy en las instalaciones del IPN, por alumnos de posgrado.
El objetivo de disear y fabricar este tipo de mquina es para evaluar el desgaste
por fatiga, de forma sencilla, prctica y econmica.
Los primeros ensayos experimentales realizados con la ella fueron en probetas
fabricadas de acero AISI 4140 y 1045, ambos materiales fueron tratados
trmicamente, pero no se utilizaron recubrimientos duros. Las primeras pruebas
mostraron un funcionamiento consistente y confiable de la mquina. Las pruebas
se realizaron utilizando cargas axiales de 200 N y 170 N, velocidad de trabajo de
1540 rpm y en condiciones lubricadas empleando un aceite Shell Tellus 100. Los
resultados mostraron una mejor resistencia al desgaste del acero 4140. Debido en
parte por la presencia de molibdeno y cromo, que proveen una mayor dureza y
compactibilidad al acero, logrando una mayor resistencia a los esfuerzos
generados por las cargas aplicadas y por consiguiente un periodo de vida ms
prolongado.
Para el caso de los ensayos de desgaste por deslizamiento, el grupo de tribologa
no cuenta especficamente con un equipo para realizar este tipo de pruebas y no
se tienen registros de trabajos anteriores. Los ensayos experimentales se
realizaron en el laboratorio de tribologa del departamento de Ingeniera Mecnica
de la Universidad de Sheffield, Inglaterra. La mquina reciprocante de alta
frecuencia para pruebas de desgaste por deslizamiento utilizada, fue diseada y
construida por alumnos de posgrado y personal de la misma Universidad. Es
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20
usada, principalmente, para realizar pruebas de desgaste en aceros que tienen un
recubrimiento duro. Algunos de los ensayos previos se realizaron en aceros
aleados resistentes al desgaste (EN24 Y EN31), en condiciones lubricadas a
temperatura ambiente.
Los resultados preliminares indicaron un desgaste progresivo en la superficie del
material y por consiguiente un incremento en el coeficiente de friccin. Se
obtuvieron imgenes por microscopa ptica de la huella de desgaste y se
determin el volumen de desgaste.
JUSTIFICACION En la actualidad, la exigencia mecnica de los equipos y mquinas modernas es
cada da ms notoria. Los elementos mecnicos son sometidos a grandes cargas,
a intensas velocidades de trabajo y a condiciones ambientales severas. Por ello es
necesario buscar nuevas alternativas para su diseo, donde se incluye la
seleccin de materiales ms resistentes. Hoy en da existen diferentes tipos de
materiales utilizados para fabricar elementos mecnicos sometidos a desgaste por
FCR y desgaste por deslizamiento, entre ellos estn: Aceros aleados con alto
contenido de cromo, aceros inoxidables, materiales cermicos y algunos
polmeros. En el caso de recubrimientos de TiN, WC y CrN, han tenido aplicacin
en herramientas de corte (brocas, insertos de buriles, cortadores de fresa, etc.),
procesos de estampado, formado, inyeccin de plsticos y forja.
El presente trabajo, permite conocer la resistencia de los recubrimientos al ser
sometidos a los fenmenos de desgaste antes mencionados y su posible
aplicacin en la fabricacin de elementos mecnicos.
En Mxico, no se tienen muchos laboratorios de tribologa y aun menos, equipos
como el ya mencionado. Es importante para el autor y para el rea de tribologa de
la SEPI, hacer aportaciones en el estudio de la tribologa particularmente en los
fenmenos de desgaste descritos en este trabajo.
En relacin a los ensayos de desgaste por deslizamiento, se atendi a la
obtencin de resultados logrados con los mismos tipos de recubrimientos
empleados en FCR haciendo un estudio comparativo.
-
21
CAPITULO I 1. Contacto entre Slidos y Desgaste por Fatiga
Los conceptos de friccin y desgaste, pueden ser abordados de mejor manera si
se comprenden los fundamentos del contacto entre slidos.
El contacto elstico que ocurre entre slidos, fue investigado primeramente por
Hertz en 1881, conocindose como contacto Hertziano [1]. Estos al ser sometidos
a cargas, se deforman elsticamente hasta que el esfuerzo alcanza un valor lmite,
llamado esfuerzo de fluencia y [1]. En la mayora de los casos, algunas asperezas
son deformadas elsticamente y otras plsticamente.
Se presenta una breve descripcin referente al contacto entre slidos, como el que
ocurre sin friccin (contacto de Hertz), contacto puntual, contacto lineal y contacto
friccionante; as como tambin, los temas relacionados con el desgaste por fatiga,
atendiendo, primordialmente, al ocurrido tanto por el rodamiento como por el
deslizamiento entre slidos interactuantes.
1.1 Fundamentos del contacto entre slidos Se llama contacto mecnico a la situacin en que dos cuerpos se tocan
fsicamente en un rea determinada. Los problemas referidos entre cuerpos
deformables, es un tema de actualidad en mecnica de slidos, con importantes
aplicaciones en el diseo mecnico. Dicha situacin es, frecuentemente
encontrada, en muchos sistemas mecnicos, tales como, levas, engranes,
cojinetes, embragues, rueda-riel, etc. Para el diseo de estos elementos, se
requiere realizar un anlisis de esfuerzos y deformaciones generadas entre las
superficies de los cuerpos en contacto [2].
Las superficies de los slidos resultan ser ms complejas al ser observadas con
detalle. Existen diferentes factores que dificultan su estudio, tales como:
distorsiones, defectos, deformaciones, entre otros. Si a ello se le adiciona la
geometra y las condiciones ambientales, la situacin se torna aun ms compleja.
Por otra parte, el estudio de las superficies se ha incrementado a partir de la
incesante bsqueda a soluciones de problemas que afectan comnmente a los
-
22
sistemas mecnicos, los cuales en su mayora comprenden interacciones entre
superficies, donde puede generarse un contacto tipo Hertziano, o de otro tipo,
donde est presente el fenmeno de la friccin, ya sea en movimientos
deslizantes, rodantes o una combinacin de ambos.
Aquellas situaciones de contacto entre cuerpos elsticos son consideradas como
Hertzianos solo si cumplen las siguientes condiciones:
Los cuerpos son homogneos, isotrpicos y satisfacen la Ley de Hooke. Los contactos ocurren sin friccin y las deformaciones causadas son
pequeas.
El anlisis de esfuerzo en la zona de contacto, se realiza aplicando la teora lineal de la elasticidad.
Las superficies o fronteras de los cuerpos en contacto por la accin de una fuerza, se presentan ya sea en regiones separadas o en aquellas que se
encuentran en contacto.
Cuando dos superficies se encuentran en contacto debido a la accin de una
carga, se origina entre ellas una deformacin, que puede ser elstica o
elastoplstica. En esta ltima, se genera un cambio permanente en la superficie.
Las bases fundamentales para el anlisis del contacto mecnico sin deformacin
permanente estn en la teora clsica de la elasticidad.
El esfuerzo de contacto a diferencia del esfuerzo de compresin, que existe en el
interior de los cuerpos sometidos a la accin de cargas externas, es el que se
produce en la superficie de contacto de los mismos. Cuando el esfuerzo es
excesivo, el material puede alcanzar su fluencia.
La clasificacin del contacto entre dos cuerpos elsticos, est en funcin de los
contactos inicial y final. El primero puede ser sobre un punto, una lnea, una
superficie o una posible combinacin de las mismas. Mientras el segundo depende
de la naturaleza de las fuerzas aplicadas y de las propiedades de los materiales.
En general, los contactos con friccin o sin friccin, pueden clasificarse como [3, 4,
5]:
Contacto avanzado: En ste, la zona de interaccin inicial es menor que la zona de contacto final, encontrndose en funcin de la fuerza que mantiene
-
23
juntos a los cuerpos. Cuando se aumenta la carga, se incrementa el rea
de contacto, debido a la deformacin que experimentan los materiales de
los cuerpos correspondientes.
Contacto conformado: Donde existe inicialmente una interfase de las dos superficies sin deformacin de ninguna de ellas, cambiando solo cuando se
aplica una carga.
Contacto recesivo por carga: Donde existe una regin de contacto causada por una carga inicial y cuando se aplica cualquier otra carga adicional sobre
el sistema, se presenta una disminucin de esta regin.
Existen diferentes mtodos para el anlisis del contacto entre slidos. Se tienen
mtodos numricos, mtodos analticos y mtodos experimentales. En este
trabajo, se expone, principalmente, el mtodo experimental, como medio de
estudio y anlisis de la friccin y del desgaste entre las superficies. Sin embargo,
se presentan los conceptos y fundamentos del mtodo analtico.
1.1.1 Superficies de contacto La rugosidad en las superficies limita el contacto entre cuerpos slidos a una muy
pequea porcin llamada rea aparente de contacto. Esta se encuentra solamente
en condiciones de alto esfuerzo tal como sucede con el contacto entre las rocas,
muy por debajo de la superficie de la tierra o el que hay entre una herramienta de
corte y la pieza de trabajo. Esto significa que la interaccin entre cuerpos slidos,
en condiciones de cargas normales, se encuentra limitada a pequeas reas de
contacto real, estas estn distribuidas entre un nmero de reas de microcontacto
[6].
El rea real de contacto es el resultado de la deformacin de puntos altos o picos
en la superficie, llamadas asperezas. Los esfuerzos entre asperezas son grandes,
en algunas ocasiones provocan deformacin plstica. La relacin entre el rea real
de contacto y la carga aplicada es muy importante, ya que afecta tanto la friccin
como el desgaste [6].
Existe una relacin proporcional entre el rea real de contacto, Ar (suma de reas
de asperezas) y la carga aplicada, W, es decir:
-
24
ArW (1-1)
Uno de los primeros modelos del contacto entre dos superficies reales fue dado
por Greenwood y Williamson [7]. Posteriormente, otros investigadores en el tema
entre ellos, Whitehouse y Archard [8], Onions y Archard [9], Pullen y Williamson
[10] y Nayak [11], introdujeron otros modelos. Todos utilizan mtodos estadsticos
para describir la complejidad natural del contacto entre dos superficies rugosas.
Por ejemplo, en la propuesta de Onions y Archard, el cual se basa en el modelo
estadstico de Whitehouse y Archard, el rea real de contacto est dada por [9]:
= dr dCdzNCCzfdzAnA 02 ),()()3.2( (1-2) Donde:
Ar rea real de contacto [m2]
n Nmero de asperezas por unidad de rea aparente de contacto
A rea aparente de contacto [m2]
* Distancia de correlacin obtenida de la funcin de autocorrelacin
exponencial del perfil de la superficie [m]
z* Ordenada normalizada, z*= z/
N Razn de picos a las ordenadas. Para este modelo, N=1/3
d Separacin entre los planos de cada superficie, d= h/
C Curvatura de aspereza, C= l2/r
h Separacin del plano principal [m]
Rugosidad RMS [m] l Intervalo de prueba. Para este modelo l= 2.3* [m]
f* Funcin de densidad de altura de picos y curvaturas
r Radio de aspereza principal [m], dado por:
r=
9)3.2(2 25.0
(1-3)
-
25
La carga total est dada por [8]:
W= d dCdzCNCzfdzEA
0
5.1 ),()()3.2(34 (1-4)
donde:
W Carga total [N]
E Mdulo de Young compuesto [Pa]
La razn de la carga total y el rea real de contacto, define lo que se conoce como
la presin de contacto Pm.
==d
d
rm
dCdzNC
Czfdz
dCdzCNCzfdz
nE
AWP
0
0
5.1
),()(
),()(
)3.2(34
(1-5)
Donde puede observarse que sta depende, particularmente, de las propiedades
del material definidas por el mdulo de Young y de la geometra de la aspereza.
1.1.2 Campos de esfuerzo por indentacin elstica
Hertz realiz estudios y anlisis del campo de esfuerzos elsticos de un material,
generados por un indentador, considerando las siguientes condiciones de frontera
[2].
Los desplazamientos y esfuerzos deben satisfacer las ecuaciones diferenciales de equilibrio para cuerpos elsticos, adems los esfuerzos
tienden a desaparecer a distancias grandes de la superficie de contacto.
Los cuerpos se encuentran en contacto sin friccin. En la superficie de los cuerpos, la presin normal es cero fuera del crculo
de contacto e igual y opuesta dentro del mismo.
La distancia entre las superficies de dos cuerpos es cero dentro del crculo de contacto y mayor a cero fuera del mismo.
-
26
La integral de la distribucin de presin dentro del crculo de contacto con respecto al rea del crculo proporciona la fuerza que acta entre los
cuerpos.
Por analoga con la teora del potencial elctrico, Hertz dedujo que una distribucin
elipsoidal de presin podra satisfacer las condiciones de frontera del problema,
encontrando que, para el caso de una esfera, la distribucin es [12,13]:
21
2
2
123
=
ar
Pmz
(1-6)
Donde
z Esfuerzo normal en direccin z Pm Presin de contacto
r Radio de la esfera
a Radio del circulo de contacto
1.1.2.1 Contacto puntual
La distribucin de presin normal cerca de un indentador esfrico est dada por la
ecuacin (1-6).
En la figura 1.1, se muestra el esquema que representa el contacto puntual
(esfera-plano).
Figura 1.1. Contacto puntual
El desplazamiento de los puntos sobre la superficie del espcimen dentro del
crculo de contacto es [2,12,13]:
Pm
a uzE,
r
-
27
( ) arraa
pE
u mz = 222
242
31 (1-7)
es la relacin de Poisson
E es el mdulo de elasticidad
Y fuera del crculo de contacto, resulta [12,13]:
( ) arra
rar
rasenra
ap
Eu mz
+=
21
2
22122
2
1221
231
(1-8)
Dentro del crculo de contacto, la distribucin del esfuerzo radial en la superficie
es:
( ) ( ) ( )
( ) ( )
+++++=
++++=
3
2222
02
52232322
12212
3122
zaz
zazp
drrzrzzrzp
mr
amr
(1-9)
Para el caso cuando ar ,
21
2
223
2
2
2
2
12311
221
=
ar
ar
ra
pmr
(1-10)
En la superficie fuera del crculo de contacto,
arra
pmr >= 2
2
221
(1-11)
-
28
En el interior del slido, los esfuerzos son los siguientes:
( )
+++
++
+
= 2tan111
321
23
21
12
1
22
1222
23
21
3
212
2
u
aa
uua
uu
zzau
ua
u
z
u
zra
pmr (1-12)
( )
++
++
=
21
12
1
22
1
3
212
2
tan1121321
23
u
aa
uua
uu
z
u
zra
pm (1-13)
es el esfuerzo tangencial
+
= 222
23
212
3zau
ua
u
zpm
z (1-14)
++= uaua
zaurz
pmrz
2
212
222
2
23
(1-15)
rz es el esfuerzo cortante Donde:
( ) ( )[ ] ++++= 21222222222 421 zaazrazru (1-16) Considerando otro tipo de anlisis Los esfuerzos en un slido cuando se le aplica una carga en un punto son los
siguientes [14]:
( ) ( ) ( ) ++= 252222322 321 zrzrzrzBr (1-17)
( ) ( ) += 232221 zrzB (1-18)
-
29
( ) ( ) ( ) +++= 252232322 321 zrzzrzBz (1-19)
( ) ( ) ( ) +++= 252222322 321 zrzrzrrBrz (1-20) Donde:
B= Presin de contacto, B= W/Ar
Para obtener las ecuaciones anteriores, se resuelven cada una de las ecuaciones
diferenciales correspondientes.
= 22
2
rzr (1-21)
=rrz 12 (1-22)
( )
= 22
22zzz (1-23)
( )
= 22
21zrrz (1-24)
Considerando que:
( )2122 zrB +=
2
2
2
22 1
zrrr +
+=
-
30
Para el caso de r, se tiene que:
( ) ( )
++
+
+
= 21222
22
1222
2
2
2 1 zrBr
zrBzrrrzr
( ) ( ) ( ) ( )
+
++++
+= 2
21222
2
212222
122
2
21222 1
rzrB
zzrB
rzrB
rrzrB
zr
Resolviendo las derivadas parciales, se tiene que:
( ) ( ) ( ) 2522223222322 32 +++= zrBzrzrBzzrBzr (1-25)
Factorizando la ec. 1-25,
( ) ( ) ( ) ++= 252222322 321 zrzrzrzBr
Para el caso de , se tiene que,
( ) ( )
++
+
+
= 212221222
2
2
2 11 zrBrr
zrBzrrrz
( ) ( ) ( ) ( )
+
++++
+=
rzrB
rzzrB
rzrB
rrzrB
z
2122
2
212222
122
2
21222 11
Resolviendo las derivadas parciales se encuentra que,
-
31
( ) ( ) 23222322 2 ++= zrBzzrBz (1-26) Factorizando la ec. 1-26,
=rrz 12
Para el caso de z, se tiene,
( ) ( ) ( )
++
+
+
= 212222
2122
2
2
2
2 12 zrBz
zrBzrrrzz
( ) ( ) ( )
++
+++
= 2
212222
122
2
21222
2212z
zrBrzrB
rrzrB
zz
( ) ( ) ( ) ( )2
21222
2
212222
122
2
21222 1
rzrB
zzrB
rzrB
rrzrB
++
++
Resolviendo las derivadas parciales se obtiene,
( ) ( ) ( ) 2522323222322 32 ++++= zrBzzrBzzrBzz (1.27) Factorizando la ec. 1-27,
( ) ( ) ( ) +++= 252232322 321 zrzzrzBz Para el caso de rz, se tiene,
( ) ( ) ( )
++
+
+
= 212222
2122
2
2
2
2 11 zrBz
zrBzrrrrrz
( ) ( ) ( ) ( )
+
++++
+= 2
21222
2
212222
122
2
21222 1
rzrB
zzrB
rzrB
rrzrB
rrz
-
32
( ) ( ) ( )2
21222
2
212222
1221r
zrBz
zrBrzrB
r +
++
Resolviendo las derivadas parciales se reduce a:
( ) ( ) ( ) 2522323222322 32 ++++= zrBzzrBrzrBrrz (1-28) Factorizando queda,
( ) ( ) ( ) +++= 252222322 321 zrzrzrrBrz 1.1.2.2 Contacto lineal El campo de esfuerzos generado por la indentacin de un cilindro plano sobre una
superficie plana es similar al que se obtiene en un campo de esfuerzos Hertziano
clsico [2,12,13].
La distribucin de esfuerzo dentro del espcimen en coordenadas cilndricas es:
( )
+= 11100201 2121 J
rzJ
raJ
azJ
pmr (1-29)
( )
+= 111001 21221 J
rzJ
raJ
pm (1-30)
+= 020121 J
azJ
pmz
(1-31)
122
1 Jaz
pmrz = (1-32)
Considerando que:
-
33
2aPpm = Siendo a el radio del crculo de contacto.
22
101
senRJ =
=2
1 211
0senR
raJ
23231
2senR
arJ =
+= 2
31 232
1
2
20
2 senRazJ
+= 2
1 212
1
2
21
1senR
ra
azJ
21
2
22
2
2
2
2
41
+
+=
az
az
arR
za
az
ar
az =
+=
tan;12tan
1
2
2
2
2
Para los puntos en el interior del espcimen, se tiene que: ( )
mm
z
m
r
ppJ
p
= 012
112
(1-33)
-
34
( )
+= 111001 212 JrzJ
raJ
pm (1-34)
+= 0201 JazJ
pmz
(1-35)
12Ja
zpm
rz = (1-36) Donde:
22
101
senRJ =
=2
1 211
0senR
raJ
23231
2senR
arJ =
+= 2
31 232
1
2
20
2 senRazJ
+= 2
1 212
1
2
21
1senR
ra
azJ
41
2
22
2
2
2
2
41
+
+=
az
az
arR
-
35
za
az
ar
az =
+=
tan;122tan
1
2
2
2
2
Otro tipo de anlisis
Este es un caso bidimensional de una fuerza concentrada distribuida
uniformemente que acta a lo largo de una lnea. La distribucin del esfuerzo
dentro del cuerpo slido est dirigida radialmente hacia el punto de contacto. En
cualquier punto r dentro del cuerpo slido, el esfuerzo radial, en dos dimensiones y
coordenadas polares para una carga por unidad de longitud P perpendicular a la
superficie del cuerpo est dada por [14]:
rPr
cos2= (1-37)
0== r (1-38) La deduccin de las ecuaciones (1-37) y (1-38) es de la siguiente manera:
Figura 1.2. Contacto lineal
-
36
En la figura 1.2, se observa que:
rP
LwPdoconsideran
Lrw
dsi
rdLw
Lwrd
F
r
r
r
r
R
cos2
cos2
2
cos
0cos
0
=
=
=
=
=
=
=
(1-39)
Por otro lado, el esfuerzo tangencial y el esfuerzo cortante r resultan cero y se
comprueba al hacer la sustitucin en las ecuaciones de equilibrio.
1.2 Contacto friccionante La friccin es la disipacin de energa entre cuerpos interactuantes en
deslizamiento. Cuatro leyes empricas bsicas sobre friccin han sido conocidas
hace varios siglos a partir de los trabajos de Da Vinci, Amonton y Coulomb [6]:
Existe proporcionalidad entre la fuerza tangencial mxima antes del deslizamiento y la fuerza normal cuando un cuerpo esttico es sometido al
incremento de la carga tangencial.
-
37
La fuerza de friccin tangencial es proporcional a la fuerza normal de deslizamiento
La fuerza de friccin es independiente a el rea aparente de contacto La fuerza de friccin es independiente de la velocidad de deslizamiento
En contactos sin friccin, se presenta una distribucin aleatoria de puntos de
contacto, de acuerdo al modelo de Greenwood-Williamson [7], resulta no ser
aplicable al contacto por deslizamiento. Una caracterstica bsica del mismo es
que se encuentra distribuido sobre un pequeo nmero de reas de contacto
grandes. stas, no tienen una posicin fija cerca del contacto, pero se mueven
lentamente a travs de la superficie conforme el deslizamiento aumenta.
Existen dos formas fundamentales de estudiar la friccin y el desgaste, desde el
punto de vista del tamao de escala [6]:
A nivel atmico, en una superficie plana, los defectos presentes proveen un efecto cataltico de las reacciones de los lubricantes con la superficie
desgastada.
La rugosidad, crea contactos entre slidos en reas muy pequeas. A nivel atmico, el contacto entre superficies, facilita el movimiento de tomos de
una superficie a otra. Por otra parte, la interaccin de las superficies con pelculas
lubricantes, origina reacciones qumicas, manifestndose como la prdida de
tomos en las zonas en contacto.
La composicin atmica de una superficie, puede ser diferente a la de los tomos
en el interior del material. El contacto de la superficie con impurezas y ambientes
qumicos, tiende a separar el material, como sucede con el carbn, silicio y azufre
que se segregan en el acero, mientras que el aluminio lo hace en el cobre [15].
Por otra parte, la topografa de las superficies afecta directamente las
caractersticas del contacto entre slidos. Todas las superficies tienen cierto grado
de rugosidad, lo que significa que la mayora de las partes de una superficie no
son planas y forman ya sea un pico o un valle [16].
Para la caracterizacin de las superficies se emplean tcnicas y parmetros como:
tcnicas estadsticas, transformadas de Fourier y actualmente se utilizan los
fractales. Sin embargo, ninguno de los mtodos conocidos proporciona una
-
38
descripcin completa de las caractersticas de una superficie. Mtodos modernos
como el HOT (Hurst Orientation Transform) [17], que ayudan a caracterizar
superficies anisotrpicas y el mtodo de fractales usado solo para superficies que
conforman un modelo de Movimiento Browniano Fraccional (FBM) [18,19], no
proveen informacin completa sobre la topografa de una superficie.
Recientemente, se ha utilizado un nuevo mtodo llamado Sistema Iterativo de
Funcin Particionada (PIFS). ste, se basa en la idea de que la mayora de las
estructuras complejas observadas en la naturaleza pueden ser descritas y
modeladas de acuerdo a una combinacin de simples reglas matemticas [20,21].
1.2.1 Friccin en contacto por rodamiento El coeficiente de friccin en rodamiento, se define como la relacin entre la fuerza
y la carga aplicada, a fin de mantenerlo estable. Para rodamientos hechos de
materiales duros y acabado superficial fino, el coeficiente de friccin es muy
pequeo del orden de 0.01-0.001 (condicin seca).
El coeficiente de adhesin, se define como la relacin entre la fuerza tangencial
mxima y la fuerza normal de contacto. Define tambin la resistencia al
deslizamiento por el elemento rodante cuando se aplica una fuerza de frenado. El
coeficiente de adhesin tiene un valor entre 0.1 y 1. En la mayora de los sistemas
mecnicos, se esperara tener un coeficiente de adhesin alto y un coeficiente de
friccin pequeo.
Reynolds y Heathcote [22] observaron que la causa fundamental de la friccin por
rodamiento es el microdeslizamiento entre las superficies en contacto. El
microdeslizamiento es una cantidad limitada de movimiento tangencial que ocurre
en regiones dentro de la zona de contacto sin un deslizamiento grande sobre el
rea total de contacto.
Todos los materiales, incluso los metales y cermicos, no son perfectamente
rgidos, si no que tienen cierto grado de elasticidad que al deformarse producen
contactos circulares, rectangulares o elpticos, dependiendo de la geometra de los
cuerpos en contacto.
-
39
Una diferencia importante entre la friccin por deslizamiento y friccin por
rodamiento radica en el mecanismo de disipacin de energa, que para el caso de
rodamiento, es insignificante debido al bajo coeficiente de friccin. El contacto por
rodamiento esta asociado con altos niveles de esfuerzo por contacto, que podra
causar deformacin plstica.
De acuerdo a modelos tericos de deformacin en friccin por rodamiento hay una
relacin entre la fuerza de contacto y la fuerza de arrastre opuesta al rodamiento
[23]. La geometra del contacto de rodamiento tiene una influencia fuerte sobre la
friccin. El coeficiente de friccin por rodadura esta inversamente relacionado con
el radio de rodadura. Con cargas bajas, donde predomina la deformacin elstica,
el coeficiente de friccin es inversamente proporcional a la raz cuadrada del radio
de rodadura. Con cargas altas, donde la deformacin plstica es significante, el
coeficiente de friccin es inversamente proporcional al radio de rodadura [24]. Los
parmetros bsicos de los materiales tambin ejercen un efecto, el coeficiente de
friccin es inversamente proporcional al mdulo de Young del material de
rodadura [24].
1.2.2 Contacto por deslizamiento entre cuerpos slidos Muchos de los anlisis del contacto entre slidos estn basados en contactos sin
friccin (estticos), donde no se tiene deslizamiento entre las superficies.
Parmetros como el rea real de contacto y el esfuerzo promedio de contacto son
importantes para la interpretacin de la friccin y del desgaste por deslizamiento.
Se ha obtenido una descripcin cualitativa de las caractersticas del contacto entre
asperezas durante el deslizamiento por estudios realizados sobre la indentacin
de estas sobre materiales ms suaves, observndose tres etapas de contacto [25]:
Contacto esttico, movimiento violento de la aspereza (fuerza tangencial en su
mximo nivel) y el movimiento no restringido de la aspereza. La fuerza tangencial
es equivalente a la fuerza de friccin en contactos por deslizamiento.
Una vez que la aspereza comienza a moverse o deslizarse entre el material
suave, una cantidad de material deformado da suficiente soporte a la aspereza
para alcanzar la parte superior del nivel del contacto esttico. Como resultado, la
-
40
fuerza tangencial cede, ya que el soporte de la aspereza es ofrecido por el
material [6]. Este tipo de contacto es fundamentalmente afectado por el
deslizamiento, causando un primer efecto que es la separacin de las superficies
por una pequea distancia.
1.2.3 Efecto del calor en el contacto de asperezas. Un resultado inevitable de la friccin es el calor generado, especialmente a
grandes velocidades de deslizamiento, donde una considerable cantidad de
energa es disipada por este medio; mismo que es conducido a travs de las
asperezas en contacto [26]. La concentracin de energa se localiza en pequeas
reas, presentando una marcada influencia sobre los fenmenos de friccin y
desgaste, ocasionando un efecto llamado montn trmico. Cuando la superficie
es plana, la distribucin del mismo es aleatoria a lo largo de la energa disipada.
Este efecto es transitorio, una vez que la fuente de la energa es removida, por
ejemplo, debido a la detencin de las superficies en movimiento, los montones
trmicos tienden a desaparecer. En algunas situaciones, la temperatura alcanza
los 800oC, pero solo dura una fraccin de segundo del orden de 0.1 ms. Estas
temperaturas son resultado de una intensa deformacin metlica localizada entre
las asperezas en contacto [6].
1.3 Desgaste por fatiga
1.3.1 Fundamentos del desgaste por fatiga. En un sistema tribolgico, al desgaste se le considera como todo material
removido o indeseablemente desplazado por efecto de las superficies
interactuantes, dentro del medio ambiente en el que trabajan. Tambin se le define
como el dao de la superficie o la remocin de material de una o ambas
superficies slidas en movimiento relativo, ya sea por deslizamiento, rodamiento o
impacto. Primeramente, el material en la superficie de contacto, es desplazado por
lo que las propiedades del slido, cerca de la misma, se alteran, pero muy poco o
nada de material se pierde. Posteriormente, el material puede ser removido de la
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41
superficie, es decir, se transfiere a la otra superficie, o bien, puede perderse como
un residuo de desgaste conocido como debris.
Existen diferentes tipos de mecanismos de desgaste, los cuales habitualmente
actan en forma combinada sobre los sistemas tribolgicos, denominados
tribosistemas. Estos son [1]:
Desgaste por adhesin Desgaste por abrasin-erosin Desgaste por fatiga Desgaste por corrosin
El desgaste por fatiga se presenta en el caso de rodadura y/o deslizamiento de
una superficie respecto a otra. Esto produce en un punto cualquiera del camino de
rodadura la aplicacin de cargas variables en el tiempo que inducen tensiones
capaces de nuclear y propagar fisuras.
El desgaste por fatiga puede ser un fenmeno importante en dos escalas:
Macroscpico y microscpico. El primero ocurre en superficies con cargas no
conformales, mientras que el segundo sucede durante el contacto entre asperezas
que se deslizan unas con respecto a las otras.
Este tipo de desgaste es el mecanismo ms frecuente que ocurre en los pares
cinemticos de mquinas, razonablemente protegidos de la accin de
contaminantes abrasivos. Al interaccionar dos cuerpos slidos con superficies
rugosas, se produce la penetracin de las crestas ms rgidas en contra del
cuerpo menos duro. El movimiento relativo de las microirregularidades provoca
una intensa deformacin plstica de las capas superficiales.
La falla por fatiga requiere de un determinado nmero de esfuerzos cclicos. Por
ello, a menudo es predominante en aquellos componentes y elementos mecnicos
que han estado en servicio durante un periodo muy grande de tiempo.
Halling [27], propuso un modelo que involucra la ecuacin que permite determinar
la taza de desgaste utilizando un modelo que incorpora tanto el concepto de falla
por fatiga como la ocasionada por deformacin plstica. Por lo tanto, la expresin
empleada para determinar el volumen de desgaste por unidad de distancia de
deslizamiento es:
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42
( )nxFWQ nV = 2/ (1-40) Donde: Q Taza de desgaste, mm3/Nm
VW Volumen de desgaste, mm3
nF Fuerza normal, N
x Distancia de deslizamiento, m n Nmero de ciclos
1.3.2 Desgaste por FCR El fenmeno de Fatiga de Contacto por Rodadura (FCR) se presenta en aquellos
sistemas, particularmente, de naturaleza mecnica, en donde una o varias partes
tienen un movimiento giratorio encontrndose en contacto con otras piezas que
son parte del mismo sistema. Debido a ello se generan cargas cclicas que a la
vez ocasionan microfisuras, lo cual induce a la falla del elemento. El desgaste por
FCR se manifiesta, especficamente, en sistemas mecnicos, tales como: Rueda-
riel, leva-seguidor, engranes, rodamientos, contacto neumtico-concreto, etc. En el
caso especfico de los rodamientos, muestran una gran resistencia a FCR, que
para fines prcticos se considera infinita. Sin embargo, en la prctica se observa
que la vida de stos, es sensiblemente reducida, por problemas relativos a su
diseo, montaje, operacin y mantenimiento.
El proceso de FCR, generalmente, involucra las siguientes manifestaciones [28]:
1. Apilamiento de dislocaciones sobre inclusiones, provocado por tensiones
cclicas.
2. Nucleacin de huecos o microfisuras, en aquellas regiones de mximo
esfuerzo Hertziano o cerca de discontinuidades en la microestructura, tales
como, lmites de grano, porosidades o inclusiones.
3. Propagacin de microfisuras a la subsuperficie.
4. Unin de fisuras subsuperficiales y movimiento de la fisura hacia la superficie.
5. Formacin de escamas, picaduras (pits) o astillas (spalls).
6. Avance del dao hacia regiones adyacentes a la superficie.
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43
7. Iniciacin de macrofisuras por fatiga a partir del dao superficial producido por
astillamiento.
Se trata de una falla que resulta muy difcil de ser localizada en su inicio, dado que
se manifiesta una vez que ha avanzado, produciendo el desprendimiento de
material y dejando microcavidades; entre sus consecuencias estn:
Ruido progresivo Calentamiento progresivo Inicio de vibracin Incremento de partculas residuales (debris) en aceite Defectos peridicos en productos laminados
En el contacto de elementos rodantes se generan tensiones cuyos campos de
distribucin muestran que la tensin mxima resulta ser superior a la media
calculada a partir del rea aparente de contacto. Adems, la tensin aplicada en
un punto es variable, originndose la fatiga o propagacin de fisuras por
sobretensin en defectos ubicados en forma subsuperficial.
De acuerdo a lo anterior, la falla comienza subsuperficialmente y la fisura se
propaga hasta que cambia de direccin apareciendo en la superficie, provocando
el desprendimiento de una partcula. Este fenmeno puede acentuarse por
disminucin del rea de contacto, lo que hace aumentar la tensin real de
contacto.
El desgaste por FCR, es caracterizado por la formacin de grandes fragmentos de
desgaste despus de un nmero crtico de revoluciones. Para el caso del contacto
lubricado entre dos slidos, aunque no existe una interaccin directa entre las
superficies, debido a la pelcula lubricante existente entre ambos, las superficies
estn sometidas a grandes esfuerzos, que son transmitidos a travs de la pelcula
lubricante. En presencia de tales esfuerzos, el esfuerzo de compresin mximo
ocurre en la superficie, sin embargo, el esfuerzo cortante mximo sucede a la
misma distancia por debajo de la superficie. Si su amplitud es mayor al lmite de
fatiga del material, la falla ocurrir eventualmente. La ubicacin de la misma en un
material perfecto sometido a contacto por rodadura puro, est definida por la
posicin del mximo esfuerzo cortante dado por las ecuaciones de Hertz. Si existe
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cierto deslizamiento, adems de rodamiento, como en el caso del contacto entre
los dientes de un engrane, entonces la tensin generada podra mover la posicin
del esfuerzo cortante mximo cerca de la superficie. En la prctica no se tienen
materiales perfectos, por lo que la localizacin de la falla normalmente depende de
factores microestructurales, tales como, la presencia de inclusiones o microfisuras
[1].
En la actualidad se han encontrado tres modos fundamentales de falla en FCR
que son [29]:
Modo sub-superficial temprano: Tiene lugar cuando se utilizan materiales metalrgicos de pobre calidad, donde existen inclusiones metlicas y no metlicas,
en condiciones tales que las partes interactuantes son totalmente separadas por la
pelcula lubricante. Debido a que las superficies no entran en contacto, sino a
travs de dicha pelcula, las tensiones de corte que actan por debajo de la
superficie, juegan un papel muy importante, actuando sobre las discontinuidades
metalrgicas.
Modo sub-superficial tardo: Tiende a reemplazar al modo de falla anterior, debido a la aparicin de tcnicas modernas para la manufactura de aceros, que
permiten obtener un material, prcticamente, libre de inclusiones. El deterioro se
origina por el aumento del nmero de ciclos que soporta, que resulta ser de >108
ciclos, lo que conduce a la descomposicin gradual del material por efecto de las
tensiones aplicadas.
Modo superficial temprano: Aparece, cuando el aumento de la solicitacin mecnica ocasiona que la pelcula lubricante pierda fluidez lo que conlleva a la
falla. Por lo tanto, las superficies trabajan ms prximas una de la otra, hasta
cierto nivel de carga aplicada, producindose el contacto metlico. No solo las
micro-asperezas interactan, sino tambin las partculas de desgaste incorporadas
al aceite pueden quedar atrapadas por el huelgo entre las superficies,
incrustndose, rayando o indentando a las mismas. El contacto de los elementos
rodantes sobre las zonas daadas, est sujeto a valores de tensin Hertziana del
macro-contacto. La rodadura repetida sobre los defectos artificiales produce la
acumulacin de micro-plasticidad localizada y posterior nucleacin de una astilla
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45
dando origen a una falla, donde se puede incluir a los elementos que trabajan en
condiciones marginales, debido a una lubricacin incorrecta, lubricante
contaminado (con partculas de desgaste, agua o combustible), elevada friccin
(temperatura) o alta carga.
El modo de falla, puede predecirse por medio del clculo del coeficiente de
espesor de pelcula lubricante, conocido como factor Lambda ( ), dado por la siguiente expresin [30]:
( ) 5.022 0 BAh
+= (1-41) donde:
0h Espesor mnimo de pelcula lubricante, mm
A Rugosidad media del cuerpo A (bola), m B Rugosidad media del cuerpo B (probeta), m
Coeficiente de espesor de pelcula lubricante Por otra parte se han calculado los siguientes valores de [30]: Si < 1, falla superficial Si 1
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46
caractersticas geomtricas importantes de la superficie. Tampoco resulta eficiente
una superficie extremadamente lisa, ya que el lubricante escurre entre los cuerpos
en contacto (sometidos a presin), existiendo la posibilidad del contacto metal-
metal.
Una rugosidad adecuada, acta como receptculo para el aceite y a la vez
produce un efecto hidrodinmico.
Las caractersticas superficiales dependen directamente del proceso final de
mecanizado. Un aspecto muy importante a considerar en el proceso de fabricacin
de piezas, es la introduccin de tensiones residuales superficiales, que al
superponerse a los esfuerzos de traccin impuestos por la solicitacin en servicio,
hacen disminuir la tensin neta aplicada.
1.3.2.2 Mtodos de prueba de FCR Hay diferentes configuraciones de equipos para ensayos de FCR. Cada una de
estas configuraciones corresponde a una manera diferente de simular el desgaste
ocasionado. Algunos de ellos son [31]:
Mquina de ensayo de cinco bolas Mquina de ensayos de contacto rodante Mquina de tres bolas desarrollado por Federal Mogul Mquina de ensayos de cilindro y esfera Mquina de ensayos de cilindro a cilindro Mquina de ensayos de anillo contra anillo Mquina de ensayos de cuatro bolas Mquina de ensayos de esferas en disco inclinado
1.3.3 Desgaste por contacto de deslizamiento Este tipo de desgaste ocurre cuando una superficie se desliza sobre otra. En
algunos casos, las superficies en contacto por deslizamiento estn lubricadas,
pero la mayora de las investigaciones realizadas en laboratorios, se trabaja en
condicin seca.
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Cuando dos slidos estn en contacto bajo una carga normal, las superficies se
acercan una a la otra hasta que la fuerza reactiva elstica en la interfase es
suficiente para soportar la carga normal [1]. Una situacin similar ocurre en el
contacto por deslizamiento, donde la fuerza reactiva es requerida para soportar
tanto la fuerza normal como la tangencial. En algunos casos, en condiciones
especficas de operacin, se pueden producir partculas de xido, las cuales a su
vez generan abrasin.
En ocasiones, el trmino de desgaste por adhesin es utilizado para describir el
desgaste por deslizamiento, pero su uso puede ser errneo. La adhesin juega un
papel importante en el desgaste por deslizamiento, pero es solo uno de los
muchos procesos fsicos y qumicos que estn involucrados [32].
La deformacin inducida en el desgaste por deslizamiento, eventualmente rompe
la estructura original en la superficie formando dislocaciones en la estructura
cristalina. stas, se describen como regiones submicroscpicas, relativamente
libres de dislocaciones, separadas por regiones de alta zona de las mismas.
Frecuentemente se han encontrado grietas y fisuras en piezas sometidas a
desgaste por deslizamiento. Las fisuras se originan en la superficie en algn punto
dbil del material y se propagan hacia el interior del mismo a lo largo de planos de
deslizamiento, normalmente en forma transgranular. Una segunda grieta puede
formarse a partir de la primera; cuando la nueva grieta alcanza la superficie, se
forma una partcula de desgaste que se desprende de la misma.
Cuando dos superficies se ponen en contacto por deslizamiento, las asperezas en
ambas superficies pronto son reemplazadas por una superficie suave y lisa. Si la
dureza de las superficies es diferente, la menos dura perder las asperezas
primero que la otra.
1.3.3.1 Mtodos de prueba de deslizamiento Diferentes tipos de arreglos experimentales han sido empleados para estudiar el
desgaste por deslizamiento. La mayora de ellos, se utilizan para examinar los
mecanismos de desgaste, simulacin de aplicaciones prcticas y proveer
informacin sobre volmenes y tasas de desgaste y coeficientes de friccin. La
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palabra tribmetro fue usada por primera vez en 1774, en un instrumento para
medir la friccin, es normalmente utilizada para identificar a este tipo de aparatos.
Los mtodos de prueba, pueden ser divididos en dos tipos. El primero es aquel en
donde las superficies de deslizamiento estn colocadas simtricamente. El otro
tipo corresponde a un arreglo asimtrico de las superficies en contacto, en el cual,
ambos cuerpos, que pueden ser del mismo material, casi siempre experimentan
volmenes de desgaste diferentes [32].
Entre los mtodos de prueba de tipo simtrico, se encuentran: Anillo sobre anillo y
del tipo cara a cara. Para los asimtricos se tienen: Perno sobre disco, perno
sobre borde, bloque contra anillo y perno sobre placa. Otro mtodo de prueba es
la mquina de cuatro bolas, usada principalmente para evaluar las propiedades
mecnicas de los lubricantes y no tanto para determinar el comportamiento de
materiales [32].
Las dimensiones de los especimenes normalmente van desde algunos milmetros
hasta decenas de milmetros. En arreglos asimtricos, los pernos y bloques
pueden ser de un tamao menor a 25mm, mientras que los anillos y discos son
comnmente de decenas de mm de dimetro. De igual manera, se tienen
variaciones en las cargas y velocidades empleadas, dependiendo del tipo de
ensayo [32].
Muchos de los mtodos de prueba de desgaste por deslizamiento, estn
estandarizados, por ejemplo, mtodo bloque sobre anillo (ASTM G77), mtodo
cilindros cruzados (ASTM G83), perno sobre disco (ASTM G99), mtodo esfera
sobre disco (DIN 50324), y perno sobre un plano (ASTM G98), entre otros [32].
La cantidad de material removido en un contacto por deslizamiento depende de la
distancia de deslizamiento, la velocidad de deslizamiento, duracin de la prueba y
de la presin nominal (carga normal dividida por rea de contacto nominal) sobre
la regin de contacto. Algunas veces, el desgaste es medido retirando el
espcimen de la mquina a ciertos intervalos de tiempo para pesarlo o medirlo. En
otros casos, se cuenta con un monitoreo continuo de la evaluacin del peso y
dimensionamiento de la huella de desgaste, utilizando transductores elctricos o
mecnicos. En otros casos, se mide continuamente la fuerza de friccin durante
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toda la prueba. La velocidad de deslizamiento, afecta tanto la variabilidad en la
energa de disipacin como la temperatura de la interfase.
1.3.3.2 Ecuacin de Archard para desgaste por deslizamiento La ecuacin de Archard [33] es un anlisis terico que determina el volumen de
material desgastado cuando dos superficies estn en contacto y una de ellas se
desliza sobre la otra. Este modelo inicialmente se desarroll para aplicaciones de
contacto entre metales. Se basa en el supuesto de que el contacto entre las dos
superficies ocurre donde las asperezas se tocan y el rea real de contacto es igual
a la suma de todas las reas de las asperezas en contacto. El deslizamiento
continuo entre ambas superficies causa la destruccin de asperezas y por otro
lado la formacin de otras nuevas. Este tipo de desgaste se encuentra asociado
con el desprendimiento de fragmentos de material a partir de las asperezas en
contacto, por lo que el volumen de desgaste de cada fragmento depende del
tamao de la aspereza.
El volumen de material desgastado ( Q ) por unidad de distancia deslizada esta dado por [32,33]:
3/2 3aQ = a es el radio de la aspereza.
Por otra parte, la carga normal soportada por cada una de las asperezas ( W ) es: 2aPW =
Donde P es el esfuerzo de fluencia de la aspereza deformada plsticamente.
Si Q representa la suma total del volumen de desgaste de todas las asperezas y
W representa la carga normal total, se tiene que:
PWQ 3/= Es conveniente utilizar el factor 3/=K y considerar que HP = , la dureza de indentacin. Finalmente la ecuacin es:
H
KWQ = (1-42) La ecuacin anterior, relaciona el volumen de desgaste Q por unidad de distancia
deslizada. W es la carga normal y H es la dureza de la superficie ms suave, y es
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50
llamada Ecuacin de Desgaste de Archard. El coeficiente de desgaste K siempre
es menor que 1.
REFERENCIAS [1] Arnell, R. D. et al, Tribology, Principles and Design Applications, Macmillan
Education LTD, U.K., 1991.
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51
[14] Sokolnikoff, I.S., Mathematical Theory of Elasticity, MacGraw-Hill, New York,
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[16] J. Van Alsten y S. Granick, Friction Measured With a Surface Forces
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[17] P. Podsiadlo y G.W. Stachowiak, The Development of Modified Hurst
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Particles, Tribology Letters, Vol. 4, 1998, pp.215-229.
[18] P. Podsiadlo y G.W. Stachowiak, Scale-Invariant Analysis Tribological
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[25] J.M. Challen, L.J. MacLean y P.L.B. Oxley, Plastic Deformation of a Metal
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[27] Halling, J., Principles of Tribology, London, Macmillan education, 1975, p. 308.
[28] Blau, P.J., Rolling Contact Wear, ASM Handbook 18, Friction, Lubrication and
Wear Technology, 1998, pp. 257-262.
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52
[29] Dommarco, R.C., Fatiga de Contacto por Rodadura. Degradacin y Falla
Superficial, Tesis de Doctorado, Universidad Nacional Mar del Plata, Argentina,
1997.
[30] R. C. Dommarco, J. D. Salvande, Contact Fatigue Resistance of
Austempered and Partially Chilled Ductile Irons, Wear 254 (2003) 230-236.
[31] ASM Handbook, Vol. 18, Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM
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[32] Hutchings, I.M., Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials,
Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 1992.
[33] J.F. Archard, Single Contacts and Multiple Encounters, Journal of Applied
Physics, Vol. 32, 1961, pp. 1420-1425.
-
53
CAPITULO II 2. Introduccin a los Trabajos Experimentales de
Desgaste por FCR y Deslizamiento. Se presentan algunos de los resultados obtenidos con el fenmeno de FCR y de
deslizamiento, realizados por diferentes investigadores en el rea de los
materiales y tribologa. La informacin propuesta fue desarrollada en algunas de
las universidades ms importantes, que cuentan con centros de investigacin en el
rea de tribologa, y que particularmente desarrollan investigacin en este tema,
ya sea en el estudio de mtodos de lubricacin y tipos de lubricantes, desarrollo y
diseo de mquinas para ensayo, estudios sobre la aplicacin de materiales y
recubrimientos superficiales duros, entre otros.
2.1 Desgaste por FCR El trabajo de R. C. Domarco [1], menciona el estudio realizado sobre la resistencia
a la FCR de la fundicin dctil austemperada, utilizando una mquina de fatiga por
contacto de rodadura. Los ensayos fueron llevados hasta la aparicin de las
primeras huellas de desgaste con la relacin Po/Kk = 6, donde Po es el mximo
esfuerzo hertziano y Kk es el mdulo elstico cinemtico. Los resultados obtenidos
en este trabajo fueron comparados con las propiedades de los aceros para
rodamientos AISI 440C y SAE 52100. Las huellas de desgaste se observaron con
un microscopio electrnico de barrido. Se encontr una microestructura con una
fuerte influencia en los resultados a la FCR. Se concluy que la fundicin dctil
austemperada tiene una adecuada resistencia a la propagacin de la grieta, pero
baja resistencia a la nucleacin de la misma. Por consiguiente, la resistencia a la
FCR de la fundicin dctil austemperada no fue satisfactoria.
En otro de los trabajos de R. C. Dommarco [2]. Se estudia la resistencia a la fatiga
por contacto de fundiciones dctiles austemperadas y parcialmente enfriadas. En
este estudio, se reportan los resultados de las pruebas de laboratorio realizadas
para evaluar la resistencia a la FCR, aplicando diferentes tratamientos trmicos.
-
54
Los ensayos fueron hechos en una mquina de FCR, en condiciones de carga y
lubricacin, que provocaron la interaccin entre las microasperezas de la
superficie, es decir, con un espesor de pelcula lubricante especifico,
-
55
mecnicos que estn sometidos a FCR; 2) normalmente, en aceites de la misma
familia, se presenta una vida til a la FCR mayor; 3) adems de la viscosidad,
debe considerarse otras propiedades de los lubricantes para el contacto mecnico,
tales como: coeficiente de viscosidad (), compresibilidad (B), y el coeficiente de friccin EHL (). Por otra parte, Nong Gao [5], de la Universidad de Sheffield, realiz un proyecto
titulado, Effects of Surface Defects on Rolling Contact Fatigue. Se menciona, que
los defectos presentes en la superficie de componentes mecnicos, son los
responsables de la concentracin de esfuerzos de contacto por rodadura o
deslizamiento. sta, a la vez, puede originar la falla prematura del componente. La
vida til de rodamientos, engranes y levas es, frecuentemente, reducida por la
presencia de defectos en las superficies de contacto. Se muestran imgenes de la
falla progresiva en un defecto superficial ocasionado por la indentacin de una
huella tipo Vickers. Se investigaron diferentes tipos de materiales, con el fin de
conocer los efectos ocasionados por los defectos superficiales sometidos a FCR.
Se utiliz una mquina de pruebas de discos rodantes y deslizantes. Se
produjeron rayas e indentaciones (cnicas y piramidales) en la superficie de las
probetas y se monitorearon las apariciones de microfisuras. Tambin se
determin, numricamente, la distribucin de esfuerzos de contacto a travs de la
superficie daada, tenindose resultados muy aproximados a los obtenidos
experimentalmente.
As mismo, Nong Gao [6], particip en el proyecto: Disk Machine Testing to
Assess the Life of Surface Damaged Railway Track. Teniendo como objetivos,
investigar la naturaleza y las caractersticas del dao superficial en los rieles de
tren y determinar los efectos que producen estos daos en la disminucin de su
vida til. Se utiliz una mquina de pruebas de discos rodantes y deslizantes. Las
probetas de ensayo se fabricaron a partir de acero empleado para la manufactura
de rieles y fueron ensayadas con cargas y velocidades de rotacin y deslizamiento
reales. Se indujeron defectos artificiales en la superficie de las probetas. Adems,
se realizaron ensayos en condicin hmeda, lubricada y con la presencia de
partculas contaminantes. Se observ que en los casos lubricados con aceite, los
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56
defectos superficiales actan como la fuente de iniciacin de las fisuras por FCR.
Sin embargo, en condicin lubricada con agua, se determin que las
indentaciones en la superficie no tienen efecto alguno en la vida til por fatiga.
Roger Lewis [7], realiz el proyecto: Wear and Fatigue of MMCs in Rolling-Sliding
Contact. Donde se estudia el uso de materiales compuestos (MMCs) en
componentes con poco peso y alta resistencia. Una matriz de aluminio con
partculas duras de carburo de silicio es una forma de MMC usada comnmente
en la industria aeroespacial. Su uso en aplicaciones tribolgicas, donde puede
estar sometida a esfuerzos de contacto localizados y a desgaste superficial es
menos comn. El objetivo de este proyecto consisti en determinar el
comportamiento de MMCs en contacto de rodadura. Dependiendo de las
condiciones de operacin, pueden fallar por la induccin de fisuras en la regin de
contacto o por el desgaste en la superficie. Las probetas de ensayo fueron
maquinadas de MMC con base de aleacin de aluminio y probadas en una
mquina tribolgica. Las pruebas fueron realizadas en condiciones de rodadura
pura en ambiente seco y hmedo (agua). Despus de los ensayos, se observ
que la tasa de desgaste en rodadura pura, fue muy pequea, comparada con la
que se esperara en un acero. Cuando el contacto se realiza por deslizamiento
(1%), el desgaste se incrementa considerablemente. Por otra parte, no hubo
evidencia de que las partculas de carburo de silicio actuaran como agentes
abrasivos.
De igual manera, en la Universidad de Sheffield, Matthew Marshall [8], desarroll
el proyecto titulado, Ultrasonic Wheel/Rail Contact Stress Measurement.
Determinando entre otras cosas que las condiciones del contacto en el sistema
rueda riel, son fundamentales para conocer los fenmenos de desgaste y fatiga.
Se incluye, adems, mediciones de presin y rea de contacto, usando la tcnica
de ultrasonido. El contacto rueda riel, se comporta como un resorte. Si la presin
es alta, existirn pocos huecos de aire, dando mayor rigidez y esto facilita la
transmisin de una onda ultrasnica. Por el contrario, si baja, entonces hay poca
rigidez y casi todas las ondas ultrasnicas son reflejadas. Algunas secciones de la
rueda y el riel fueron cortadas y sometidas a presiones en una mquina hidrulica.
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Un transductor ultrasnico es colocado abajo del punto de contacto; a fin