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1. SUPERFICIES EN CONTACTO
El desgaste es caracterizado como un proceso de daño superficial debido al contacto mecánico de la materia. Independientemente de cualquier modo especial de desgaste, el tipo de contacto mecánico es muy importante para todas las pérdidas por desgaste, como será discutido a continuación.
1.1 Topografía de Superficies
Las superficies ingenieriles están lejos de ser idealmente lisas y presentan un cierto nivel de rugosidad. La textura característica de las superficies está descrita por el arreglo, forma y tamaño de elementos individuales tales como las asperezas (colinas y valles a una escala microscópica). La Figura 1.1 muestra esquemáticamente una topografía de superficie. Se pueden obtener perfiles de la superficie por corte de secciones transversales. Mientras que cortes horizontales darían información acerca del área de contacto. El contacto entre dos sólidos es discreto debido a la rugosidad de la superficie, es decir, el contacto ocurre solo en áreas de puntos individuales de contacto.
Figura 1.1 Representación esquemática de las irregularidades de las superficies.
Hay diferentes métodos ópticos y mecánicos disponibles para la medición de las características geométricas macroscópicas y microscópicas de las superficies. Para obtener un perfil de la superficie se utilizan diferentes mecanismos englobados en una materia llamada “profilometría”, y el artefacto se llama profilómetro. El profilómetro consiste en una fina punta de diamante que barre toda la superficie y sus movimientos verticales son graficados. Los perfiles representan una sola pasada en una dirección lineal de una superficie aleatoria tridimensional. De muchas pasadas de secciones transversales se puede graficar un contorno. Una gráfica de contorno representa una imagen tridimensional de la textura característica de la superficie. En la actualidad ya se pueden utilizar técnicas mas avanzadas y confiables para la medición de la rugosidad, tal como el microscopio de fuerza
atómica. La Figura 1.2 muestra secciones de tres profilogramas de la superficie de una aleación Ti-Al, la cual fue terminada pro diferentes formas de pulido. La Figura 1. muestra una fotografía de microscopio de fuerza atómica de una placa de bainita en acero, donde se aprecia el relieve de la placa.
Figura 1.2 Traza de profilómetro de una aleación Ti-Al : a) electro pulida, b) pulida en paño suave, y c) pulida en paño duro.
Figura 1.3 Gráfica de microscopio de fuerza atómica de alta resolución del desplazamiento causado por la formación de una sub-unidad de bainita.
Para el contacto estático de materiales idealmente elástico-plásticos el área real de contacto puede ser expresado por la ecuación:
y
N r
P
F
A = (1-2)
donde FN es la fuerza normal sobre las superficies en contacto y Py es la presión de cedencia del material mas suave. Ciertos investigadores han encontrado que los valores de Py son muy cercanos a la dureza del material en esas condiciones de esfuerzo. Así que utilizando la siguiente relación entre dureza H y esfuerzo de cedencia σy del material estresado:
H = C ⋅ σ y (1-3)
con C = 3 para aceros ferríticos, se obtiene de la ecuación (1-2) para el contacto estático:
y
r P A
A
σ
∝ (1-4)
La relación de área de contacto real a aparente es directamente proporcional a la presión aplicada en la superficie dividida por el esfuerzo de cedencia del material mas suave en contacto. Mas adelante se verá que el área real de contacto es incrementada debido al deslizamiento relativo de las dos superficies en contacto.
1.2 Contacto Mecánico
La fricción y desgaste de dos superficies sólidas en contacto sin lubricación depende del tipo de deformación de las irregularidades de la superficie involucradas en el contacto. Algunos investigadores propusieron un índice de plasticidad Ψ que describe la transición de deformación elástica a plástica de las asperezas de la superficies:
R
S
H
E ´
con
2 2
2 2 1
1 2 −ν + − ν
E E
E E
E (1-6)
Aquí H es la dureza del material mas suave, E 1 , E 2 , son los módulos de Young de los dos cuerpos en contacto, y ν 1 , ν 2 son la relación de Poisson de los dos materiales, R es el radio de las asperezas, que es supuesto ser el mismo para todas las asperezas, y S es la desviación estándar de una distribución Gaussiana de las alturas de las asperezas. Si Ψ<0. el contacto es predominantemente elástico, mientras que si Ψ>1 la deformación plástica domina el contacto. Otros investigadores introdujeron un factor de plasticidad mas general Ψ* el cual permite que los picos de las asperezas tengan una distribución de curvaturas:
β
S
H
E
donde E´ puede ser calculado de la ecuación (1-6), S* es el valor de la raíz cuadrada de la superficie, y β es un valor que correlaciona las alturas de las asperezas. Según estos investigadores, la ecuación (1-5) subestima la plasticidad. Esto puede ser debido a la suposición de que todas las asperezas tienen el mismo radio; ya que se ha demostrado que entre mas altas son las asperezas tiene una punta mas aguda o un radio menor.
De acuerdo con ciertas investigaciones, se ha deducido que la transición de un contacto elástico a elastoplástico en la indentación de una esfera rígida sobre una superficie plana depende de la profundidad de la indentación. El contacto se hace elastoplástico si la profundidad h de la indentación excede un valor crítico:
2
E
H
hcr R (1-8)
donde R es el radio de la esfera, H es la dureza y E el módulo de Young del material deformado. Las ecuaciones (1-5), (1-7) y (1-8) predicen que la deformación de las asperezas en contacto es determinada principalmente por las características de la textura de la superficie, dureza y constantes elásticas; y la fuerza normal aplicada o presión de superficie no influencía directamente la transición de deformación elástica a plástica. El tipo de contacto puede cambiar durante el funcionamiento en un sistema tribológico. Es posible que se comience con un contacto plástico y durante el servicio cambie a un contacto elástico. El cambio de tipo de contacto puede causar gran influencia por ejemplo, en contacto por rolado. La resistencia al rolado puede incrementar en mas de dos ordenes de magnitud cuando el contacto es cambiado de deformación elástica a plástica.
1.2.1 Deformación Elástica
La naturaleza discreta del contacto es algo característico para todos los contactos entre sólidos y está relacionada a la rugosidad de su superficie. Considerando a las asperezas como puntos individuales de contacto, las deformaciones y esfuerzos elásticos en el área de contacto pueden ser estimados de fórmulas Hertzianas. Las soluciones de los campos de esfuerzo elástico son bien conocidas. Por simplicidad, se considera que los dos cuerpos en contacto son del mismo material (E 1 = E 2 y ν 1 = ν 2 = 0.3). La Figura 1.5 muestra la presión
donde FN es la carga normal, R el radio de la esfera y E el módulo de Young, con E 1 = E 2 y ν 1 = ν 2 = 0.3. El esfuerzo de corte máximo τmax ocurre a una profundidad z (^) m por debajo del área de contacto (Figura 1.5a):
τ (^) max = 0. 31 P max (1.11)
z (^) m = 0. 47 a (1.12)
Esfuerzos de tensión se presentan en una región cercana a la superficie y fuera del círculo de contacto.
La combinación de la carga normal con una carga tangencial resulta en un substancial incremento de los esfuerzos de tensión a un costado de la esfera en la superficie estresada (Figura 1.5b). El esfuerzo máximo de corte ahora ocurre mucho mas cerca de la superficie o en la superficie dependiendo del coeficiente de fricción μ entre los cuerpos en contacto. El esfuerzo máximo de tensión en este sistema puede ser calculado para contacto deslizante como:
( μ)
⋅
⋅
− = 1 ´ 2
1 2 max 2 c a
FN (1-13)
con
c = ⋅
Contacto entre dos Esferas
Para el contacto Hertziano de dos esferas de radios R 1 y R 2 , el radio de contacto es calculado de :
(^13)
1 2
R R
R R
E
F
a N^ (1-14)
y la máxima presión debido únicamente a la carga normal :
2 13
1 2
(^212) max 0.^388 ⎥
R R
R R
P FN E (1-15)
El esfuerzo máximo de corte a la profundidad z (^) m por debajo de la superficie es obtenido por:
τ max = 0. 31 P max (1-16)
y z (^) m = 0. 47 a (1-17)
Contacto entre dos Cilindros
El radio de contacto para un contacto Hertziano puede ser calculado como sigue:
(^12)
1 2
1 2
E l R R
F R R
a N^ (1-18)
donde l es la longitud, R 1 y R 2 los radios de los cilindros y E el módulo de Young. La máxima presión obtenida está dada por:
(^12)
1 2
1 2 max 0.^418 ⎟⎟ ⎠
R R
R R
E
l
F
P N^ (1-19)
El esfuerzo cortante máximo a una profundidad z (^) m por debajo de la superficie de contacto es :
τ (^) max = 0. 3 P max (1-20)
y
z (^) m = 0. 78 a (1-21)
La Figura 1.5c muestra de manera cualitativa el contacto entre dos cilindros. La fricción entre los dos cilindros en rodamiento produce una tracción tangencial en la superficie. Los esfuerzos superficiales en el área de contacto son compresivos para un coeficiente de fricción μ=0. Al aumentar el valor de μ, las componentes de los esfuerzos de compresión se vuelven mas asimétricas. De manera simultánea, el esfuerzo de tensión incrementa en el extremo de la región de contacto. Los esfuerzos de referencia, calculados utilizando la hipótesis de energía de deformación , alcanzan su valor máximo debajo de la superficie para μ=0. Sin embargo, los esfuerzos máximos de referencia se presentan en la superficie cuando el coeficiente de fricción excede un valor de 0.2. Se ha demostrado que cuando este sistema de deslizamiento entre dos cilindros se encuentra bajo condiciones de lubricación hidrodinámica (Figura 1.5d), se presenta un pico en la curva de distribución de presión justo antes del final del contacto.
La Figura 1.6 muestra la influencia de la forma del indentador sobre la distribución de presiones debajo del área de contacto.
donde m = 2/3 para un número constante de asperezas de contacto y m = 1 para un número de asperezas que aumenta con la carga normal.
Figura 1.7 Influencia de la geometría de contacto sobre la dependencia del área real de contacto Ar sobre la carga normal FN en contacto puramente elástico.
La Figura 1.7 muestra esquemáticamente ambos modelos de asperezas esféricas. Otros modelos describen el contacto elástico de superficies cubiertas de pequeñas asperezas. De estos modelos se desprende que entre mas pequeñas y mas cercanas estén las asperezas, el factor m se aproxima mas a la unidad. Se han hecho estudios también en materiales muy diferentes, por ejemplo, el contacto entre una esfera dura y una superficie muy lisa y suave de un polímero. Se ha descubierto también que en este caso que el área real de contacto depende de la carga normal, como es predicho por la ecuación (1-23) con m entre 0.7 y 0.8. En caso de contacto plástico, m = 1 como se expresa en la ecuación (1-2). Las técnicas del elemento finito se han aplicado muy adecuadamente en los últimos años para modelar y describir el contacto elástico de manera tridimensional en superficies rugosas. En muchos problemas de fricción y desgaste, el contacto entre dos cuerpos elásticos lisos puede ser influenciado por adhesión. Es decir, fuerzas de atracción que pueden ocurrir entre las dos superficies en contacto, dependiendo del ambiente o condición de lubricación, rugosidad de la superficie, capas superficiales o materiales involucrados en el contacto. La Figura 1.8 muestra el resultado de una simulación molecular dinámica del contacto entre un indentador de níquel y una superficie de oro inicialmente lisa. A medida que el indentador se aproxima a la superficie, las fuerzas atractivas son suficientes para causar distorsión en el oro; existe contacto íntimo incluso cuando la punta de níquel ya esta por encima del nivel original de la superficie. Esto es un ejemplo claro de las fuerzas de adhesión presentes en las superficies en contacto.
(a) (b)
Figura 1.8 Configuración atómica predicha para el modelo teórico del contacto entre un indentador de níquel y una superficie inicialmente plana de oro. No se considera la adsorción o reacción de átomos de oxígeno, así que el modelo corresponde a un contacto entre metales atómicamente limpios en un vacío perfecto. a) muestra el sistema bajo carga normal en el punto de máxima penetración; b) muestra la adhesión de átomos de oro en el indentador y un cuello de átomos de oro formado al eleva el indentador de la superficie.
A sido demostrado que el radio de contacto entre dos cuerpos puede ser substancialmente incrementado por la acción de fuerzas atractivas de adhesión. En este caso se describen las fuerzas superficiales de adhesión por la energía superficial, es decir, como el trabajo requerido para separar una unidad de área de las superficies adheridas. Para el caso de dos esferas lisas, la relación de radios de contacto con adhesión ao y sin adhesión a esta dado por:
[ ( ) ] N
o N N F
F R RF R
a
a^2 3 2 1
donde FN es la fuerza normal, γ es la energía superficial y R = (R 1 R 2 )/(R 1 +R 2 ), R 1 y R 2 son
los radios de las esferas. Sin adhesión, la energía superficial se hace cero y ao = a. La Figura 1.9 muestra el campo de esfuerzos en el área de contacto tomando en cuenta las fuerzas atractivas debidas a la adhesión. Las esferas son presionadas por la fuerza normal
FN y entonces esta fuerza es reducida en una cantidad ∆ FN. El contacto se mantiene sobre
la misma área debido a la fuerza de adhesión. Como resultado de esto, los esfuerzos entre las superficies son compresivos en el centro pero tensiles en los extremos del contacto. Se ha presentado un modelo de superficies rugosas, de acuerdo al cual, la presión máxima de contacto disminuye y la presión efectiva de contacto se expande sobre un área cuando la rugosidad de la superficie es incrementada. La influencia de la adhesión depende del valor de un “ índice de adhesión ”:
1.2.2 Deformación Plástica
Cuando dos cuerpos elásticos, digamos una esfera y un cuerpo plano, son ligeramente presionados uno contra el otro, el contacto es puramente elástico. Si la carga normal aplicada excede un valor crítico, el límite elástico, se desarrolla una zona plástica rodeada por material deformado elásticamente. El límite elástico puede ser calculado por:
p = 1. 85 τ y (1-27)
donde p es la presión media de contacto y τ y el esfuerzo de cedencia en corte puro. En
contacto elástico, la presión máxima de contacto es 1.5 veces la presión media de contacto. Al incrementar la carga, el contacto se hace elasto-plástico y la distribución de presión se hace mas y mas uniforme, y finalmente se presenta una completa condición de plasticidad, la cual está dada por:
p = C * ⋅ τ y (1-28)
donde C* = 6 utilizando el criterio de Tresca y 5.2 para el criterio de Von Mises. La Figura 1.10 muestra esquemáticamente las distribuciones de presión de contacto elástico, elastoplástico y plástico. Al incrementar la plasticidad, la presión distribuida hemisféricamente, con el valor máximo en el centro del contacto elástico, es cambiada a una presión uniformemente distribuida en toda el área de contacto en la condición de completa plasticidad.
Figura 1.10 Representación esquemática de la distribución de presión en y debajo de las áreas de contacto:
a) contacto elástico, elastoplástico y plástico de una esfera y una superficie plana. b) Indentación de un cono agudo sobre una superficie plana.
Después de una repetición de carga y descarga, se alcanza un estado estable como de colchón en la superficie indentada, el contacto se vuelve cuasi-elástico. Este estado se alcanza por cambios en la geometría del contacto debido al flujo plástico conectado con el endurecimiento por trabajado y el desarrollo de esfuerzos residuales. Este estado se alcanza para
p = 3. 69 τ y (1-29)
En el caso de la indentación elasto-plástica por conos agudos únicamente, la presión (igual a dureza) está dada por :
( ) (^) ⎥
cot
0. 494 0. 577 ln
y
y
E
p (1-30)
donde σ y es el esfuerzo de cedencia bajo tensión simple, E el módulo de Ypung y ν la
relación de Poisson del material ensayado y θ es el ángulo del indentador. Otros modelos
mas generales arrojan resultados muy similares, este es el caso de un modelo de cavidad en expansión , el cual da la relación entre presión de indentación y esfuerzo de cedencia :
( )
( )
cot 41 2
1 ln
2 y
y
E
p (1-31)
En este modelo, el factor cot θ puede ser reemplazado por d/D para indentadores
esféricos, donde D es el diámetro del indentador y d el diámetro de la indentación. A diferencia de los indentadores cónicos, los indentadores esféricos conducen a una deformación elástica a bajas cargas. De esta forma, la ecuación (1-31) es aplicable a indentadores esféricos solamente cuando el límite elástico es excedido. Estos modelos han sido corroborados ampliamente en aceros y vidrios, con buenas aproximaciones a pesar de que ignoran el endurecimiento por deformación durante la indentación. El área real de contacto en condiciones de contacto plástico puede ser estimado de la ecuación (1-2), y bajo condiciones de fuerzas normal y tangencial, el área real de contacto incrementa. Este incremento de área ha sido estudiado utilizando mediciones de resistencia eléctrica por algunos investigadores. El área real de contacto bajo condiciones de deslizamiento ha sido calculada también a partir de un criterio de cedencia:
2 2 1
2
σ + C τ = p y (1-32)
2
2
(^1) *
2
T r
N p
A
F
C
A
F
sino también microagrietamiento en y debajo de las superficies estresadas. Un ejemplo claro son las grietas Hertzianas en forma de cono. Cuando la carga de una esfera en contacto con una superficie lisa de un sólido frágil excede un valor crítico se origina una grieta circular en forma de cono alrededor del área de contacto. Al incrementar la carga, esta grieta se propaga desde la circunferencia del círculo de contacto a través de la periferia de un cono en el sólido (Figura 1.11).
Figura 1.11 Formación de grietas Hertzianas en un campo de esfuerzo elástico.
El esfuerzo de tensión máximo ocurre en el círculo de contacto. Cuando se estudian problemas de indentación, tiene que distinguirse los indentadores afilados y los obtusos. Las pirámides o conos pueden ser considerados como afilados, y las esferas como obtusos. Dependiendo del tipo de indentador, el contacto resulta en una deformación predominantemente elástica o plástica. La solución teórica de los campos de esfuerzo elástico causados por un indentador afilado muestra una alta concentración de estos en el centro de la indentación (Figura 1.6). La Figura 1.12 muestra el agrietamiento causado por la indentación de una pirámide de diamante Vickers en la superficie de un acero para herramientas y una pieza de carburos cementados.
Figura 1.12 Indentación de una pirámide de diamante Vickers sbre la superficie de a) Carburo cementado WC-Co (microscopio óptico), b) Agrietamiento en la periferia de la indentación de un acero 0.94%C (MEB)
El perfil de propagación de la grieta, perpendicular a la superficie, ha sido medido por pulido en etapas hacia el interior del acero (Figura 3.13). En la superficie del acero, las grietas se propagan casi perpendiculares desde los extremos de la indentación hacia el interior. El contacto directo entre los perfiles de las grietas y las áreas de indentación se
pierde a una profundidad de ∼1/3 de la profundidad total de la indentación. Esto es mostrado también en la Figura 1.12b y es predicho en la Figura 1.10b por el campo de esfuerzos de tensión cerca de la superficie.
Figura 1.13 Agrietamiento en la superficie en un acero 0.94%C por la indentación de un diamante Vickers durante un ensayo a una carga de 625 N: a) formación de grietas aproximadamente 55 μ m debajo de la superficie, b) grietas (ver flechas) a ∼ 75 μ m por debajo de la superficie (indentación eliminada por el pulido), c) perfil de las grietas medidas por debajo de la superficie, d) perfil total de la grieta.
De acuerdo con ciertos investigadores, cargar una superficie con un indentador afilado produce grietas centrales y laterales por debajo de la superficie estresada. La Figura 1. muestra esquemáticamente diferentes tipos de grietas formadas durante la aplicación de una carga y la posterior descarga de un material frágil.
Figura 1.14 Formación de grietas centrales y laterales en sólidos frágiles debido a la acción de un indentador afilado.
Figura 1.16 Factores de intensidad de esfuerzos en función de la longitud de grietas superficiales debido a la indentación: a) a cargas variables FN1 o FN2 , y b) para materiales de diferente tenacidad de fractura KIC1 o KIC****.
El factor de intensidad de esfuerzos disminuye con el incremento de la longitud de la grieta, debido a la in homogeneidad del campo de esfuerzos en el indentador. Esto significa que la grieta se propaga a una longitud final que es determinada por la tenacidad de fractura del material estudiado. La Figura 1.16 muestra la longitud final de grieta causada por diferentes cargas FN1 y FN2. Una grieta de longitud inicial c 0 se propaga a la longitud final c 1 o c 2 debido a la carga FN1 y FN2 , respectivamente. A esta longitud de grieta, el factor de intensidad de esfuerzos es igual a la tenacidad de fractura KIC. En la Figura 1.16 una grieta se propaga bajo una carga constante FN desde una longitud inicial c 0 a una longitud c 1 o c 2 para materiales de tenacidad de fractura KIC1 o KIC respectivamente. Esto significa que las grietas mas cortas se presentan en materiales de mayor tenacidad de fractura. Las grietas iniciales pueden ser causadas por la indentación, o pueden ya estar presentes. Esta situación se hace mas complicada cuando una fuerza tangencial actúa sobre el indentador además de la fuerza normal aplicada. La Figura 1.17 muestra grietas superficiales en un recubrimiento duro de cromo, las grietas fueron formadas por el deslizamiento de una pirámide de diamante. Las longitudes de las grietas exceden substancialmente el ancho del surco producido por el diamante. El grado y forma de agrietamiento puede ser fuertemente influenciado por la presencia de esfuerzos residuales en el recubrimiento.
Figura 1.17 Agrietamiento superficial sobre un recubrimiento duro de cromo en un acero inoxidable, causado por el deslizamiento de una pirámide de diamante con una carga normal de 3 N.
Experimentalmente se ha investigado la propagación de grietas en forma de semicírculo para diferentes relaciones de carga horizontales a verticales. De acuerdo a los resultados obtenidos, las fuerzas tangenciales no influencian la iniciación y propagación de grietas en el plano perpendicular al plano de movimiento. Muchos estudios han demostrado que la mecánica de la fractura de la indentación puede ser aplicada a los problemas de desgaste muy exitosamente; esto será discutido en mas detalle en el capitulo 3.
1.3 Temperatura de la Superficie
En ambos contactos elástico y plástico durante el contacto por deslizamiento de dos superficies sólidas, se debe suministrar energía para mantener el movimiento. Cerca del 90% de la energía gastada para la deformación de las superficies en contacto es disipada como calor. Es muy importante estimar la temperatura en el área de contacto, ya que esta puede influenciar las propiedades mecánicas y microestructurales de los sólidos. Es bien conocido que los procesos térmicamente activados, tales como recristalización, transformación, precipitación o reacciones químicas, pueden cambiar substancialmente las condiciones de contacto y con ello la fricción y el desgaste. En contacto Hertziano, la presión superficial es reducida con el incremento de la temperatura de la superficie debido a la disminución del módulo de Young. El área de la superficie en contacto real tiene que ser considerada como una fuente de calor actuando solamente durante un tiempo muy corto. La distribución de la temperatura en las superficies en contacto depende fuertemente de la presión de la superficie, la velocidad del movimiento, geometría del contacto, rugosidad de la superficie, conductividad de los materiales, películas superficiales, lubricación, etc. En el contacto de asperezas individuales, la energía está siendo disipada tan rápidamente que no hay tiempo para un flujo de calor considerable hacia las regiones del material fuera de la zona del contacto. Por lo tanto, muy altas temperaturas son inducidas localmente, las cuales pueden elevar la temperatura del contacto muy por encima de la temperatura de la superficie en el momento del contacto entre asperezas; a esta temperatura se le ha llamado temperatura de contacto, o temperatura flash. Cuando las asperezas están fuera de contacto, la temperatura cae a una temperatura promedio debido a la conducción de calor hacia el material. Esta temperatura promedio puede ser llamada temperatura superficial en un estado de equilibrio. Existe la controversia de cual temperatura tiene que ser considerada como la mas importante para problemas de fricción y desgaste, la temperatura de la superficie o la temperatura de contacto. Parece que la importancia de esas temperaturas depende fuertemente de los sistemas tribológicos involucrados. La formación de capas blancas en cojinetes de acero es debido a una transformación martensita/austenita inducida por la fricción; este proceso es determinado por la temperatura de contacto y es casi independiente del tiempo. En contraste, la recristalización o la precipitación depende de la temperatura y del tiempo; esto significa que la temperatura promedio de la superficie es la más importante, ya que es la que prevalece por un tiempo suficientemente largo. Los cambios microestructurales en asperezas superficiales causados por la temperatura de contacto son efectivos solo hasta que la zona más superficial es desgastada. La influencia de la temperatura de la superficie es entonces un factor muy importante a considerar en los procesos de fricción y desgaste.
