Investigacion Desgaste en contacto lubricado

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Instituto Politécnico Nacional 
 
Escuela Superior de Ingenieria Mecanica y 
Electrica 
 
Unidad Profesional Culhuacan 
 
Ingenieria en Sistemas Automotrices 
 
TRIBOLOGÍA 
 
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN 
 
DESGASTE EN CONTACTO LUBRICADO 
 
GRUPO: 8SV11 
 
Profesor:De la Vega Ibarra Ricardo 
 
Hernández Serna Benjamin 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El desgaste en contacto lubricado es un fenomeno que corresponde al estudio 
de la tribologia, la cual se sabe es una ciencia relativamente nueva y de un 
estudio complejo, esta compuesta por modelos matematicos que representan 
diversos fenomenos que pueden variar dependiendo del autor que se consulte o 
de las condiciones en las que se proponga el modelo matematico. 
 
El desgaste es un fenomeno relacionado a la fricción, no deben confundirse, ya 
que si recordamos, la friccion es una fuerza de oposicion al movimiento debido 
a las interacciones complejas entre cuerpos en contacto ya que las superficies a 
nivel micro y nano, tienen asperidades que influyen en este tipo de fenomenos, 
como se representa en la figura 1.1. 
Con un modelo asi es como se estudia la fricción y por consecuencia el desgaste, 
para entender el desgaste lubricado se dara un pequeño repaso a los tipos de 
desgaste asi como a la lubricación. 
 
TIPOS DE DESGASTE 
 
Desgaste Adhesivo 
 
El desgaste adhesivo se produce cuando dos cuerpos solidos están en contacto 
por deslizamiento, lubricados o no. La adhesión (o unión) se produce en los 
contactos de las asperezas en la interfaz, y estos contactos se cizallan por 
deslizamiento, lo que puede provocar el desprendimiento de un fragmento de 
una superficie y su fijación a la otra superficie. A medida que continúa el 
deslizamiento, los fragmentos transferidos pueden desprenderse de la superficie 
a la que se transfieren y volver a transferirse a la superficie original, o bien formar 
partículas de desgaste sueltas. 
Para el caso de materiales sin lubricación, el desgaste se puede modelar con la 
ecuación de Archard, que nos da la aproximación de volumen removido; 
𝑉! =
𝑘𝑊𝐿
𝐻 
 
𝑘 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒	𝑑𝑒	𝑑𝑒𝑠𝑔𝑎𝑠𝑡𝑒 𝐿 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎	𝑑𝑒	𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 
𝐻 = 𝐷𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎	𝑑𝑒𝑙	𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙	𝑚𝑎𝑠	𝑠𝑢𝑎𝑣𝑒	𝑒𝑛	𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 
 
Figura 1.1 
Desgaste Abrasivo 
 
El desgaste abrasivo se produce cuando las asperezas de una superficie áspera 
y dura o partículas duras se deslizan sobre una superficie más blanda y dañan 
la interfaz por deformación plástica o fractura. Si se considera un desgaste 
abrasivo relacionado a una deformacion plastica, se podra obtener un modelo 
que nos da una aproximacion al volumen removido, dado de la siguiente forma; 
𝑉!"# =
2𝑊𝐿𝑡𝑎𝑛𝜃
𝜋𝐻 
 
𝜃 = 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒	𝑑𝑒	𝑎𝑠𝑝𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑	𝑐𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎.						𝐻 = 𝑑𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎	𝑑𝑒𝑙	𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙	𝑚𝑎𝑠	𝑠𝑢𝑎𝑣𝑒 
 
Existen aproximaciones para el caso de desgaste abrasivo en la fractura, el 
modelo matematico dependera de las consideraciones del autor. 
 
Desgaste debido a fatiga 
 
Se observan fatigas subsuperficiales y superficiales durante el laminado repetido 
(fricción despreciable) y el deslizamiento, respectivamente. Los repetidos ciclos 
de carga y descarga a los que están expuestos los materiales pueden inducir la 
formación de grietas subsuperficiales o superficiales, que finalmente, tras un 
número crítico de ciclos, darán lugar a la rotura de la superficie con la formación 
de grandes fragmentos, dejando grandes picaduras en la superficie, también 
conocidas como picaduras. Antes de este punto crítico (que puede ser de 
cientos, miles o incluso millones de ciclos), se produce un desgaste 
insignificante, lo que contrasta notablemente con el desgaste causado por un 
mecanismo adhesivo o abrasivo, donde el desgaste provoca un deterioro gradual 
desde el inicio de la marcha. Por lo tanto, la cantidad de material eliminado por 
el desgaste por fatiga no es un parámetro útil. Mucho más relevante es la vida 
útil en términos de número de revoluciones o tiempo antes de que se produzca 
el fallo por fatiga. 
 
Desgaste debido a reacciones quimicas 
 
El desgaste químico o corrosivo se produce cuando el deslizamiento tiene lugar 
en un medio corrosivo. En el aire, el medio corrosivo más dominante es el 
oxígeno. Por ello, el desgaste químico en el aire suele denominarse desgaste 
oxidativo. En ausencia de deslizamiento, los productos químicos de la corrosión 
(por ejemplo, los óxidos) formarían una película de menos de un micrómetro de 
espesor sobre las superficies, que tendería a ralentizar o incluso detener la 
corrosión, pero la acción del deslizamiento desgasta la película química, de 
modo que el ataque químico puede continuar. Así pues, el desgaste químico 
requiere tanto la reacción química (corrosión) como el frotamiento. Las máquinas 
que funcionan en un entorno industrial o cerca de la costa generalmente 
producen productos químicos (es decir, se corroen) más rápidamente que 
cuando funcionan en un entorno limpio. 
 
 
 
 
MEDICIÓN DEL DESGASTE EN PRUEBAS TRIBOLOGICAS 
En los estudios tribológicos de los materiales se muestran los resultados del 
desgaste de diferentes formas, con diferentes variables con la finalidad de poder 
determinar diferencias de materiales, lubricantes, razones de desgaste, etc. 
El resultado de un estudio tribológico en 
donde se midió el desgaste de diferentes 
probetas de aluminio con diferente 
tratamiento térmico se muestra en la figura 
1.2, donde las muestras con refinamiento de 
grano reportaron menor cantidad de volumen 
perdido por desgaste, a diferentes distancias 
de deslizamiento. 
En la figura 1.3(a) se muestra como se 
incrementa la razón de desgaste con el 
incremento del tamaño de grano. La figura 
1.3(b) muestra el efecto que tiene el tamaño 
de grano en la resistencia al desgaste. 
 
El desgaste puede ser expresado en pérdida 
de masa, perdida de volumen, o profundidad 
de desgaste. Para calcular el desgaste en las 
camisas de los motores que están en 
funcionamiento se prefiere usar la profundidad 
de desgaste ó incremento en diámetro. Existen 
algunos modelos que pueden calcular el 
equivalente de pérdida de masa o de volumen 
a partir de la profundidad de desgaste. La 
figura 1.4 muestra la correlación de un tipo de 
acero. El anillo muestra la misma correlación. 
Los resultados del desgaste se muestran en 
términos de profundidad de desgaste en 
micrómetros lineales por hora y la razón de 
desgaste en micrómetros cúbicos (volumen) 
por hora. 
Se ha estudiado también el efecto de la 
temperatura en superficies con lubricante 
sólido. La figura 1.5 muestra dicho efecto. El 
volumen desgastado se incrementa al reducir 
la temperatura de 0°C a -30°C. Reducciones 
debajo de -30°C elevan drásticamente el 
volumen desgastado . 
Figura 1.2 
Figura 1.3 
 
 
LUBRICACIÓN 
El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con 
deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas; 
se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con la interacción más 
pequeña posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que 
exista una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies 
en contacto para disminuir la fricción evitar y el desgaste. 
MODELOS DE FRICCIÓN QUE INCLUYEN DESGASTE 
En muchos tribosistemas prácticos, la fricción va acompañada de desgaste. El 
desgaste puede modificar la rugosidad de la superficie, la presión nominal y el 
área de contacto en los contactos no conformes y, por transferencia, mezcla 
mecánica y formación de terceros cuerpos, también la posición común y las 
propiedades de los materiales en la interfaz. Cualquier modelo de fricción que no 
incluya consideraciones sobre el desgaste presupone implícitamente que en el 
contacto existe algún tipo de estado estacionario, ya sea una superficie prístina, 
no desgastada, o una condición de deslizamiento en la que no hay cambiossignificativos en las propiedades o condiciones interfaciales con el tiempo. Desde 
este punto de vista, cualquier modelo de fricción que no incluya el desgaste no 
es capaz de simular un gran número de sistemas prácticos de ingeniería, 
especialmente aquellos que funcionan con lubricación límite o sin lubricación 
añadida. 
MODELOS Y FENOMENOS ASOCIADOS A EL DESGASTE EN 
CONTACTO LUBRICADO. 
 
Como se menciono anteriorimente, la tribologia es una ciencia nueva que sigue 
en construccion, por lo que aun se difieren o no se tiene suficiente informacion 
de ciertas cosas, en este caso, el contacto entre un liquido y superficies solidas 
Figura 1.4 Figura 1.5 
y como se relaciona con el desgaste, suena sencillo, pero para modelar esta 
situación se requiere de ciertos conocimientos, a continuacion se presentaran 
dos enfoques de distintos autores asociados a la causa de esta investigacion, 
aunque existen otros mas que se podrian mencionar aquí. 
 
CONTACTO MEDIADO POR LIQUIDO 
 
En presencia de una película líquida fina con un ángulo de contacto pequeño 
(características de humectación), como un lubricante o una capa de agua 
adsorbida en la interfaz de contacto, se forman meniscos curvos (cóncavos) 
alrededor de las asperezas en contacto y sin contacto debido a los efectos de la 
energía superficial. La fuerza atractiva del menisco surge de la presión negativa 
de Laplace dentro del menisco curvo (cóncavo) como resultado de la tensión 
superficial. El producto de esta diferencia de presión y la superficie sumergida 
de la aspereza es la fuerza atractiva (adhesiva) y se denomina fuerza de 
menisco. Esta fuerza de atracción intrínseca puede dar lugar a una elevada 
fricción estática, fricción cinética y desgaste. El problema de la alta fricción 
estática en los contactos mediados por líquidos es particularmente importante en 
una interfaz que implica dos superficies muy lisas, como en la industria de 
almacenamiento de datos informáticos y en micro/nanodispositivos, y se conoce 
comúnmente como "adherencia". 
La fuerza normal total sobre la interfaz húmeda es la fuerza normal aplicada 
externamente más la fuerza intrínseca del menisco. Por lo tanto, durante el 
deslizamiento, en ausencia de efectos hidrodinámicos, la fuerza necesaria para 
iniciar o mantener el deslizamiento es igual a la suma de la fuerza de fricción 
intrínseca (verdadera) Fi y la fuerza de adherencia Fs ; esta última es una 
combinación de la fuerza de fricción debida al menisco y los efectos viscosos: 
 
𝐹 = 𝐹$ + 𝐹% = 𝜇#(𝑊 + 𝐹&) + 𝐹'(( 
 
donde μr es el verdadero coeficiente de fricción en ausencia de menisco, y es 
menor que el valor medido de μ = F/W. La suma de W y Fm es la carga normal 
total. Fm es la fuerza del menisco en la dirección normal, y Fv|| es la fuerza 
viscosa en la dirección de deslizamiento. La fuerza de fricción (μr W ) depende 
de las propiedades del material y de la topografía de la superficie, mientras que 
Fm depende de los parámetros de rugosidad, así como del tipo de líquido y del 
espesor de su película. 
 
μr Fm + Fv|| es la fuerza de fricción debida a la adhesión mediada por líquido. 
En un contacto bien lubricado, el cizallamiento se produce principalmente en la 
película de líquido. El esfuerzo necesario para cizallar el líquido aumenta con el 
incremento de la velocidad de deslizamiento y la aceleración. En consecuencia, 
los coeficientes de fricción estática y cinética aumentan generalmente con la 
velocidad de deslizamiento o la aceleración. 
El coeficiente de fricción, μ, incluyendo el efecto del menisco y la fuerza viscosa, 
viene dado por: 
 
𝜇 =
𝐹
𝑊 = 𝜇# E1 +
𝐹&
𝑊G +
𝐹'((
𝑊 
 
Los cálculos de Fm y Fv|| pueden realizarse basándose en análisis sobre 
adherencia. Para los cálculos de fricción estática a bajas velocidades y 
aceleraciones, puede despreciarse el efecto viscoso. 
 
Para dos superficies en contacto en presencia de líquido, los coeficientes de 
fricción estática y cinética son función 
de la cantidad de líquido presente en 
la superficie con respecto a la 
separación interplanar . Para 
superficies rugosas con una rugosidad 
compuesta σ con una película líquida 
uniforme de espesor h, en primer 
orden, la fuerza de fricción es una 
función de h/σ , Figura 1.6. El 
coeficiente de fricción permanece bajo 
por debajo de ciertos valores de h/σ y 
aumenta, en algunos casos 
rápidamente, por encima de este valor. 
Valores mayores de h/σ corresponden 
a un mayor número de asperezas 
mojadas por la película líquida, lo que 
da lugar a un menisco mayor y a 
contribuciones viscosas. Por debajo 
del valor crítico, gran parte del líquido 
permanece en los valles y no forma 
meniscos fácilmente. Parece que para 
una baja fricción estática y cinética, 
h/σ debería ser menor o igual a 0,5 
aproximadamente. Por supuesto, si el 
contacto está sumergido en el líquido, 
no se forman meniscos y se produce 
cizallamiento en la película de líquido, 
lo que da lugar a una fricción muy baja. 
Los datos de durabilidad de la figura 
1.6 muestran que la durabilidad 
aumenta con el incremento del 
espesor de la película lubricante y con 
la disminución de la rugosidad de la 
superficie. 
 
 
En un entorno húmedo, la cantidad de agua presente en la interfaz aumenta con 
el incremento de la humedad relativa. El espesor de la película de agua 
adsorbida en un disco magnético recubierto de carbono diamante, por ejemplo, 
puede aproximarse de la siguiente manera, 
 
ℎ = ℎ)(𝑅𝐻) + ℎ*𝑒[,(./0))] 
 
donde h1 = 0,3 nm,h2 = 0,5 nm,α = 20 y HR es la fracción de humedad relativa 
que oscila entre 0 y 1. En los datos mostrados en la figura 1.7, el coeficiente de 
Figura 1.6 
fricción estática del disco lubricado 
aumenta rápidamente por encima de 
una humedad relativa (HR) de 
aproximadamente el 60%. Esta 
humedad crítica depende de la 
rugosidad de la interfaz. El coeficiente 
de fricción del disco no lubricado 
permanece bajo a humedades altas. 
Es el espesor total de la película de 
líquido (incluyendo agua y lubricante), 
lo que contribuye al efecto menisco; 
por lo tanto, un disco no lubricado 
puede soportar mucha más 
condensación de agua que un disco 
lubricado antes de que la fricción 
aumente significativamente. En cuanto 
a la fricción cinética, se observan 
pocos cambios. El coeficiente de 
rozamiento cinético del disco no 
lubricado permanece invariable con la 
humedad, mientras que el rozamiento 
cinético del disco lubricado aumenta 
ligeramente por encima del 60% HR. 
La durabilidad de un disco lubricado 
aumenta con el aumento de la 
humedad relativa, pero disminuye a 
humedades elevadas. La durabilidad 
de un disco no lubricado aumenta con 
el incremento de la humedad. El agua 
condensada actúa como lubricante y 
es responsable del aumento de la 
durabilidad, mientras que el descenso 
de la durabilidad a humedades 
elevadas en el caso de un disco 
lubricado se debe a la elevada fricción 
estática. 
 
En algunos casos, la fricción estática 
empieza a aumentar rápidamente a 
partir de un determinado tiempo de 
reposo y, a continuación, se estabiliza 
(figura 1.8). El tiempo de reposo 
necesario para que aumente la fricción 
estática depende, una vez más, del 
líquido total presente en la interfaz; un 
disco lubricado requiere menos tiempo 
de reposo que un disco no lubricado. 
 
 
 
Figura 1.7 
Figura 1.8 
DESGASTE LUBRICADO 
 
El grado de desgaste de los elementos de rodamiento lubricados puede 
clasificarse en términos generales en función del parámetro de espesor de la 
película Λ , donde; 
 
Λ =
𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟	𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜	𝑑𝑒	𝑙𝑎	𝑝𝑒𝑙𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎	𝑙𝑢𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒, ℎ
𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑	𝑑𝑒	𝑙𝑎	𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒	𝑑𝑒𝑙	𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜, 𝜎 
 
El espesor esperado de la película h puede calcularse utilizando información 
para diversos tipos de rodamientos y condiciones de funcionamiento. La 
rugosidad superficial efectiva 𝜎 puede tomarse normalmente como el valor 
cuadrático medio o 1,25 veces el valor medio aritmético pico-valle , suponiendo 
que lasalturas superficiales obedecen a la distribución gaussiana. La separación 
completa de la película de las superficies de los cojinetes requiere idealmente un 
Λ mínimo de aproximadamente 3,0 para evitar los contactos de las asperezas. 
Otras distorsiones elásticas, térmicas y de alineación elevan este valor a 
aproximadamente 10 para la mayoría de los rodamientos de elementos rodantes 
y de película de aceite. Para valores de Λ inferiores a 10, en los que cabe esperar 
algún contacto superficial. 
La predicción analítica del desgaste lubricado es también un área de 
investigación fructífera. Evidentemente, en régimen de lubricación 
hidrodinámica, el desgaste es nulo ya que, por definición, las superficies están 
totalmente separadas por una capa de lubricante. Por lo tanto, el desgaste por 
lubricación puede producirse en regímenes de lubricación de límite y, en menor 
medida, en regímenes de lubricación mixta, en los que es probable el contacto 
de asperezas. Aquí, por supuesto, los contactos de asperidad son menos 
severos que el contacto en seco, ya que las puntas de las asperidades tienen 
moléculas de aceite atrapadas que ayudan a reducir el coeficiente de fricción. 
Un tratamiento analítico sencillo consiste en modificar el coeficiente de desgaste 
de Archard para el contacto seco k multiplicándolo por el denominado coeficiente 
de defecto de película fraccional 𝜓 (kl = k × 𝜓). 𝜓 representa simplemente la 
relación entre el área de contacto directo metal sobre metal y el área real de 
contacto. También puede interpretarse como la probabilidad de que una 
aspereza entre en contacto directo con otra aspereza mientras pasa sobre la 
superficie de contacto en una región que no está ocupada por las "moléculas de 
lubricante adsorbidas" . Con esta modificación, kl puede interpretarse como el 
coeficiente de desgaste de Archard para superficies lubricadas cuando existe 
contacto entre asperezas. En el régimen de desgaste lubricado, y especialmente 
en el de lubricación mixta, sólo una parte de la carga es soportada por las 
asperezas y la otra por la presión del fluido. La carga soportada por el fluido no 
contribuye al desgaste y, por tanto, es necesario sustituir la carga total por la 
carga de las asperezas en la relación de desgaste de Archard. Para más detalles 
sobre el cálculo del desgaste en un régimen de lubricación mixta, se remite al 
lector a Wu y Cheng (1993), Akbarzadeh y Khonsari (2009, 2011) y Beheshti y 
Khonsari (2013), Masjedi y Khonsari (2012, 2014a, 2014b, 2015a, 2015b, 2015c, 
2016). 
 
 
 
CONCLUSIONES 
 
Como se pudo observar, en los dos enfoques propuestos aquí, tienen relacion 
con las expresiones de Archard, pero se abordan de una manera diferente y para 
diferentes condiciones, lo que demuestra una vez mas como el estudio de la 
tribologia y de los fenomenos relacionados a esta, se siguen construyendo para 
su mejor analisis y aplicación. 
Esto permite que se puedan introducir nuevas investigaciones y propuestas en 
el campo de la tribologia, especialmente en la cuestion del desgaste una vez que 
existe una capa lubricante, mostrando que aun no se tiene el conocimiento de 
todas las cosas que nos rodean y que es la oportunidad del ser humano para 
seguir aprendiendo y construir una mejor sociedad. 
 
 
REFERENCIAS 
 
Bhushan, B. (2013). Introduction to Tribology. John Wiley & Sons. 
 
Khonsari, M. M., & Booser, E. R. (2017). Applied Tribology: Bearing Design 
and Lubrication. John Wiley & Sons. 
 
Blau, P. J. (2008). Friction Science and Technology: From Concepts to 
Applications, Second Edition. CRC Press. 
 
Apuntes de clase(2023)