Fricción adhesiva.Cuando dos sólidos se llevan al contacto mecánico, a través de una carga, las superficies de éstos, no son totalmente planas ni están perfectamente pulidas, existen asperezas en cuyas partes superiores se localizan sus crestas. Al realizar el contacto mecánico, tiende a unirse por soldadura en frío. La aparición de nuevos puntos de interacción permite que el área de contacto real se incremente, soportando elásticamente a la carga. En estas condiciones, para un material ideal elástico plástico, se tiene:

W = ArPc (9)W = carga normal aplicadaAr = área real de contactoPc = presión de cedencia del material más blando, esta es aproximadamente similar a la dureza H del mismo, esto es:

W = ArH (10)

Como consecuencia de la severa deformación plástica, las uniones tienden a adherirse entresí, formando lo que se conoce como amarres adhesivos.

Si f es la fuerza friccionante especifica, entonces la fuerza ffc requerida para causar una falla por corte, por unión de la área de adherencia de las asperezas, está dada por:

ffc = fAr (11)

Despreciando cualquier contribución debido a la abrasión, gubiado o rayado del material se tiene:

ffc/W =f/H (12)

μ=f/H (13)

Esta ultima ecuación, provee la explicación teórica de las leyes de Amontons. Ignorado el efecto del endurecimiento por fatiga y la falla del material más suave, entonces f = κ. Esto, representa el valor del esfuerzo cortante de dicho material, al sustituir en la ecuación 13, se obtiene:

μadh = κ/H (14)

El valor absoluto de κ y H variar ampliamente de un material a otro. Sin embargo, la razón de ellos, es normalmente, constante aproximándose a 0.2, en la tabla 2.1 se presentan valores numéricos de μadh, cuando un par de sólidos se deslizan en seco.

Tabla 2.1.Muestra los diferentes coeficientes de fricción de algunos metales. (Bowden F. P.and D. The Tabor D, The Friction and Lubrication of Solids, University on Press, Oxford,

1964.)Metal μ

Acero suave 0.55-0.8Aluminio 0.5

Cobre 0.8Cadmio 0.4

Indio 2.0Plomo 1.2

Fundición gris 0.4

La ecuación 14, sugiere que μadh, depende únicamente de las propiedades del sólido más blando del par, es decir es independiente del material del contra-cuerpo. Esto es difícil de aceptar, dado que por la experiencia, muestra que ambos cuerpos ejercen una influencia directa en dicho coeficiente; cuyo valor en condiciones atmosféricas normales es, frecuentemente, mayor a 0.2. Es importante observar que si el deslizamiento del par se realiza en condiciones de alto vacío, los valores de μ adh se disparan, debido a que las caras se adhieren impidiendo un adecuado deslizamiento. Para explicar el fenómeno, Bowden y Tabor, propusieron que todas las regiones de contacto real, donde se generan las fuerzas de corte, se agrandan o se ensanchan, dando lugar a lo que se denomina como crecimiento de la unión.El comportamiento mencionado, puede ser entendido si se considera que una aspereza individual es deformada bajo la acción combinada de los esfuerzos, uno normal y el otro cortante. Si se incrementa los esfuerzos cortantes locales, entonces la presión normal Pn, asociada para mantener el flujo plástico de la unión, disminuye. Dado que la carga aplicada es la misma, existe un incremento del área de contacto que la soporta, se tiene la siguiente expresión:

Pn = W/Ar (15)Donde:

Ar = es el área real de contacto.W = la carga normal aplicada.

El comportamiento plástico, se inicia en algún valor de Pn, relacionado con el esfuerzo decorte κ del flujo de material, por medio de la expresión:

Pn =κ ( α2 )1/2 (16)

Donde α2 es una constante, cuyo valor depende de la geometría de contacto y del punto criterio de cedencia. Esta constante se ha calculado, encontrándose que es del orden de 32.

Si se supone que la fuerza tangencial Ft, aplicada al contacto, genera una fuerza cortante τ sobre la interfase metal – metal. La teoría y la experimentación sugieren que la condición para continuar el flujo plástico debe ser de la forma:

Pn 2 + α1τ2 = α2 κ2 (17)

Donde Pn, es el valor requerido de la presión normal, α1, es una segunda constante, cuyo valor numérico no es necesariamente, igual a α2.

La ecuación 17, conjetura que τ, causa una caída del valor crítico de la presión Pc por debajo de Pn, lo que a su vez permite el crecimiento del área de contacto de la unión en la interfase.

Por otra parte, si la unión se forma o se constituye entre superficies relativamente limpias, el valor de τ se aproxima a κ. Para mantener el flujo plástico, los valores Pn son modestos.

Por lo tanto, en condiciones altamente friccionante, se magnifica el crecimiento de las uniones con el incremento de μadh. Acudiendo a la ecuación 17 se tiene:

μadh = τ/Pn = Fs / ((1-m2 α1 / α2)1/2) (18)

La rapidez de la interfase representada por τ/κ, se sustituye por el valor de la fuerza de fricción Fs. La figura 2.11, exhibe el efecto de estos factores sobre μ, cuando α2 = 32, y la razón α1 / α2 = 1 y a 0.9. Las curvas exhiben un alto grado de adhesión existente en la interfase, es decir para m > 0.95, donde se presenta un aumento de μ adh, asociadas a una pequeña reducción de la fuerza de corte interfacial.

En aplicaciones ingenieriles se pueden obtener altos valores de adhesión en superficies deslizantes, cuando se trabaja con alto vacío. La figura 2.13, muestra la variación del coeficiente de friccion en función del grado de vacio, de una superficie limpia en la que se deliza hierro. Este comportamiento no se limita al hierro, sino que es característico del deslizamiento de partes del mismo metal. En este caso, las superficies limpias se sueldan entre si en frio cuando se deslizan la vacio.

Si hay moléculas de oxígeno y/o vapor de agua que se absorben en contacto con las supererficies, la fricción disminuye notablemente En general, todos los materiales presentan mayor fricción en vacío que cuando existen otras moléculas entre las mismas, la excepción son los vidrios blandos, ya que a presencia de humedad entre sus superficies aumenta la fricción.

Buckely demostró que la adhesión entre dos superficies depende del grado de uniónentre los planos cristalográficos de las mismas. Se observo que el máximo grado de adhesión y fuerza de friccion ocurre cuando dos superficies del mismo material están en contacto. Por ejemplo, en vacío un par cobre - cobre, el coeficiente μdinámico = 21, para un par de superficies con alto ajuste, por ejemplo el par cobre - níquel, que son mutuamente solubles, se tiene que μdinámico = 4, para cobre - cobalto se tiene el μdinámico = 2, ya que si bien son solubles entre sí, difieren cristalográficamente, debido a que el cobre posee una estructura cúbica centrada en las caras (fcc) y el cobalto es hexagonal de empaquetadura cerrada (hcp), por último, se menciona un par de cobre - tungsteno que presenta una μ d = 1.4 ya que dichos materiales son insolubles.