UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IV

LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA IV

EFECTOS DE LA VARIACION DE LA RUGOSIDAD EN EL DESGASTE

DE UN PAR TRIBOLÓGICO.

Realizado por: Revisado por:

Br. Dorila Bastardo C.I.20.762.469. Prof. Glorys Lopez.

Br. Guillermo Marval Sección: 25

Br. Francisco Ortega

Br. José Villegas

Br. Juan Guerra C.I.21.392.693

Br. Luis Sisco C.I.

Puerto La Cruz, Octubre de 2014.

1

RESUMEN

En la práctica que se presenta a continuación se realizó pruebas de desgastes de un par

tribológico (disco y esfera) mientras se mantiene constante las mismas condiciones de

velocidad y distancia de deslizamiento, y variando las condiciones de tiempo de ensayo,

radio de la huella. Para esto se utilizo La Máquina Triboman la cual permitió conocer el

efecto de la variación del radio en el desgaste de el par tribológico y su comportamiento en

función del volumen desgastado el cual fue calculado a partir de las dimensiones de las

huellas de desgaste, medidas mediante las fotografías ampliadas.

2

II

CONTENIDO

Pá

g.

RESUMEN……………………………………………………………………….…...II

CONTENIDO………………………………………………………………….…..III

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………….…..… 4

2. OBJETIVOS………………………………………………………………..… 5

3. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………...... 6

4. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS………………………….……......... 9

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL…………………………….……....….. 10

6. RESULTADOS………………………………………..……………...…..……... 11

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS ……………………………………………..….. 14

8. CONCLUSIONES…………………………………………………….…….

9. RECOMENDACIONES………………………………………………..…….…….

10. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………….………............….

11. APÉNDICE:

APÉNDICE A MUESTRA DE CÁLCULO………………….........

APÉNDICE B – ASIGNACION……………………………………

APÉNDICE C –

ANEXOS………………………………………………………….

3

III

I. INTRODUCCIÓN

La palabra Tribología, viene del griego y su raíz Tribo significa frotamiento, por lo

tanto es la ciencia encargada del estudio del frotamiento. La definición exacta, es la

de ciencia que estudia cómo interactúan dos o más superficies en contacto y en

movimiento relativo. Las interacciones en lo que podíamos denominar como interface

tribológica son muchas y complejas. Su estudio requiere un amplio conocimiento en

disciplinas como física, química, mecánica del estado sólido, ingeniería de materiales,

diseño de maquinaría, entre otro.

Antes de detallar los principales mecanismos que interactúan en una interface

tribológica en movimiento relativo se debe tener en cuenta que cuando dos

superficies se ponen en contacto se puede definir un área aparente de contacto y un

área real de contacto. Es por esta razón que el área real de contacto es función de la

rugosidad, propiedades interfaciales del material (elasticidad y plasticidad) y las

condiciones de carga aplicadas. En mecánica la rugosidad es el conjunto de

irregularidades que posee una superficie. La mayor o menor rugosidad de una

superficie depende de su acabado superficial. Éste, permite definir la microgeometría

de las superficies para hacerlas válidas en la función para cual hayan sido realizadas.

Es un proceso que, en general, habrá que realizar para corregir los errores de forma y

las ondulaciones que pudiesen presentar las distintas superficies durante su proceso

de fabricación. Por otra parte la fricción es la resistencia u oposición al movimiento

de dos cuerpos que se encuentran en contacto. En tanto que el proceso de remoción

de material debido al movimiento relativo de esta superficie respecto otra en contacto

como lo es el desgaste, donde el material puede ser removido de la superficie y

expulsado fuera de la región de contacto. También puede ser transferido a la otra

superficie y quedarse adherido a ella o romperse y generar debris que puede quedar,

en parte, atrapado en el contacto.

4

II. OBJETIVOS

2.1 Objetivo General:

Estudiar el efecto del radio de prueba en el desgaste de un par tribológico,

mientras se mantienen constantes los demás parámetros (estructurales, operacionales

e interacciónales).

2.2 Objetivos Específicos:

Caracterizar la superficie de los discos en función de la rugosidad promedio

(Ra)

Caracterizar los materiales de las contrapartes de ensayo (discos y esferas) en

función de la composición química, mecánica y microestructural obtenida en

la especificación suministrada en el laboratorio.

Realizar pruebas de desgaste en el tribómetro tipo pin on disk (TRIBOMAN)

a los diferentes pares tribológicos con y sin lubricación, manteniendo las

mismas condiciones de ensayo.

Caracterizar el comportamiento tribológico de las contrapartes de ensayos

(discos y esferas) en función del volumen desgastado calculado a partir de las

dimensiones de las huellas de desgaste.

Comparar el comportamiento tribológico (Vd) de los diferentes pares

ensayados en función de la morfologia de las huellas, el tiempo de pruebas, el

numero de vueltas y radio de huellas.

III. MARCO TEORICO

5

TRIBOLOGIA.

La Tribología como ciencia estudia el desgaste por fricción y sus efectos asociados,

toma en cuenta entre otros aspectos de la maquinaria industrial: el diseño, los

materiales de las superficies en contacto, el sistema de aplicación de la lubricación,

lubricante, el medio circundante y en general las condiciones operativas.

FRICCION.

La fricción es la resistencia u oposición al movimiento de dos cuerpos que se

encuentran en contacto. Es decir, la fuerza tangencial resistiva que se crea cuan que la

fricción no depende del material, es una respuesta del sistema a una determinada

acción. Matemáticamente se define fuerza de fricción como:

F = µW

Donde F es la Fuerza de fricción, W es la carga normal sobre el contacto y µ es una

constante conocida como el coeficiente de fricción. Existen dos tipos de coeficiente

de fricción: el estático (µs) y el cinético (µK, independiente de la carga normal). En el

caso de fricción estática es posible expresar esta ley en términos de ángulo de reposo

límite θ definido por:

µS = tanθ

En esta ecuación, θ es el ángulo tal que un cuerpo de algún peso, colocado sobre un

plano inclinado a un ángulo menor que θ desde la horizontal permanecerá

estacionario mientras que si se aumenta la inclinación del ángulo a θ, el cuerpo

empezará a deslizar hacia abajo.

Estas consideraciones se cumplen igualmente para los casos de fricción sin y con

lubricación. El coeficiente de fricción sin lubricación puede variar en un amplio

6

rango, desde valores muy pequeños de 0.02 a valores tan grandes como 10 o incluso

mayores en el caso de metales blandos y limpios deslizando contra ellos mismos en

vacío.

MECANISMOS DE FRICCIÓN EN DESLIZAMIENTO.

Se conoce la fricción como un proceso que incluye mecanismos de disipación de

energía. Bowden y Tabor (1950) propusieron que en los puntos de contacto de dos

superficies se producen altas presiones que causan soldaduras locales que se van

fracturando debido al movimiento relativo de ambas superficies. Este mecanismo se

conoce con el nombre de Adhesión. Dicha rotura ocurre en las regiones más débiles

de la interfase de unión. Esta adhesión es de la misma naturaleza e intensidad que las

fuerzas que existen entre moléculas del material en volumen.

DESGASTE.

Se define desgaste como el proceso de remoción de material debido al movimiento

relativo de esta superficie respecto otra en contacto. En dicho proceso el material

puede ser removido de la superficie y expulsado fuera de la región de contacto.

También puede ser transferido a la otra superficie y quedarse adherido a ella o

romperse y generar debris que puede quedar, en parte, atrapado en el contacto. En el

caso de que se produzca una transferencia de material la pérdida de masa neta de la

interfase es cero, siendo una o ambas superficies desgastadas. La evolución de la

fricción está vinculada al desgaste, aunque su relación no es bien entendida.

Existen varios tipos de desgaste, de los cuales, los principales son:

DESGASTE ADHESIVO.

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En el área de contacto real entre dos superficies, puede ocurrir la adhesión entre las

asperezas y con el movimiento relativo entre las superficies fracturar las partes

adheridas formando fragmentos adheridos y/o transferidos a la otra superficie, así

como desprenderse y formar partículas de debris.

DESGASTE ABRASIVO.

El desgaste abrasivo ocurre cuando las asperezas de una superficie dura o debris duro

desliza sobre una superficie más blanda produciendo degaste por deformación

plástica y fractura.

DESGASTE POR FATIGA.

La fatiga en la superficie y sub superficie se observa durante deslizamiento y

apisonamiento repetido. Los repetidos ciclos de carga y descarga a los cuales los

materiales son expuestos pueden inducir la formación de grietas superficiales y sub

superficiales, que eventualmente, después de un número crítico de ciclos resultarán en

la rotura de la superficie con la formación de grandes fragmentos, dejando grandes

hoyos en la superficie. Antes de este punto crítico el desgaste del material es

despreciable, lo que no sucede con el desgaste causado por un mecanismo adhesivo o

abrasivo, donde el desgaste causa un deterioro gradual del material desde el inicio del

proceso. Por tanto, la cantidad de material removido debido a la fatiga no es un

parámetro útil. Mucho más relevante es la vida útil en términos del número de

revoluciones o ciclos de trabajo antes de que ocurra la falla por fatiga.

IV. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

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4.1 Materiales

Lijas de 100, 150, 220.

1 disco de acero.

Jabón liquido.

Algodón.

2 Esferas.

Alcohol.

4.2 Equipos

Tribómetro (TRIBOMAN)

Microscopio

Rugosimetro: Mitutayo SJ-201.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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1. Preparar la cara de la probeta previamente utilizando lija desde 100, 150 y

220, respectivamente para eliminar daños naturales como corrosión e

impurezas existentes en las mismas.

2. Lavar bien con jabón líquido, agua y secar bien la probeta.

3. Determinar la rugosidad (Ra) de la probeta.

4. Realizar el montaje de las esferas en el tribómetro (TRIBOMAN).

5. Proceder al montaje de la probeta en el tribómetro (TRIBOMAN).

6. Definir el radio de la huella necesario para realizar las huellas en la

probeta.

7. Establecer el tiempo requerido para la prueba con una distancia de 15

metros.

8. Encender el tribómetro (TRIBOMAN) para obtener la huella aplicando las

cargas correspondientes.

9. Desmontar la probeta y llevar al microscopio para obtener las

fotomicrografías.

10. Desmontar las esferas y llevar al microscopio para realizar

fotomicrografías.

VI. RESULTADOS

10

Tabla # 1: Valores de Rugosidad en Micras.

Rugosidad

5,7

3,3

3,1

4,0

Media ( ) 4.025

Desviación Estandar σ 1,1814

Tabla # 2: Datos experimentales obtenidos en el estudio tribológico.

Diámetro

de la esfera

(mm)

Velocidad

en

(RPM)

Tiempo de

prueba

(min)

Distancia

de la

prueba (m)

Radio de

la Huella

(cm)

Carga

aplicada

(N)

7,91 24 4,994 15 2 2.943

7,906

6,659 15 1,5 2.943

Tabla # 3: Diámetro promedio de las huellas calculados en cada punta de las

esferas.

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Medición Punta A (Lado Rugoso)

(mm)

Punta B (Acabado Fino)

(mm)

1 1,156 1,279

2 1,244 1,245

3 1,235 1,159

4 1,172 1,187

PROMEDIO 1,202 1,218

Tabla # 4: Ancho promedio de la huella calculado (Par A).

Medición 1

(mm)

Medición 2

(mm)

Medición 3

(mm)

Promedio

(mm)

Surco norte 1,061 1,092 1,150 1,101

Surco sur 1,041 1,086 1,152 1,093

PROMEDIO 1,097

Tabla # 5: Cálculos obtenidos para la punta y el disco del par A (RUGOSO).

Pieza

Volumen

Desgastado

(mm3)

Resistencia al

Desgaste

(mm-3)

Velocidad de

Desgaste

(mm3/s)

Constante de

Desgaste

(m3/Nm)

Punta 0,128 78,125 1,2 x 10-5 5,799 x 10-14

Disco 1,296 0,772 1,64 x 10-3 5,872 x 10-12

Tabla # 6: Cálculos obtenidos para la punta y el disco del par B (Acabado fino).

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Pieza

Volumen

Desgastado

(mm3)

Resistencia al

Desgaste

(mm-3)

Velocidad de

Desgaste

(mm3/s)

Constante de

Desgaste

(m3/Nm)

Punta 0,0135 74,074 1,71 x 10-5 6,11 x 10-14

Disco 0,764 1,309 9,683 x 10-4 3,462 x 10-12

VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS

13

14

VIII. CONCLUSIÓN

15

IX. RECOMENDACIONES

Asegurarse de realizar un bueno plano para la fabricación de la probeta

a fin de no tener contratiempos.

Lavar y secar bien la probeta luego de realizar el proceso de lijado

para tratar de no obtener tantas oxidaciones o suciedad a la hora de

realizar la prueba en el tribómetro.

Preparar la probeta con tiempo para agilizar la práctica.

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X. BIBLIOGRAFÍA

1. Tribología. Disponible en URL:

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/6299/1/Memoria-%C3%93liver

%20Luengo%20L%C3%B3pez%20Estudio%20de%20fricci%C3%B3n%20y

%20desgaste%20de%20capas%20de%20aleaci%C3%B3n%20de%20NiP.pdf

2. Tribología. Disponible en URL:

http://ocw.upm.es/ingenieria-mecanica/especificacion-de-dimensiones-y-

tolerancias-gd-t/06-tolaca/0601-tolaca.pdf

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XI. APÉNCIDE

Apéndice A: muestra de cálculos

Tiempo de recorrido

10,04seg 4 rev

60 seg X0 X0= 23,0943 rev

23,09 vueltas por min.

L= 15 m

r = 2 cm

n=L

2 πr= 15

2 π (0.02)= 119.36 rev.

23,09 rev 1 min

119,36 rev X1 X1 = 4,994 min

Carga normal Aplicada

300 gramos/ 1000 = 0,3 Kg.

0,3 Kg * 9.81 m/s2 = 2,943 N.

Distancia Recorrida

15 m * 100 = 1500 cm = 15000mm

Volumen desgastado en esfera:

Vdp = π× d4

64 × r

Vdp = volumen de desgaste de la punta (mm3).

d = diámetro de huella (mm).

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r = Radio de punta o esfera (mm).

Cálculo Volumen desgastado en disco:

Vdd = π× R ×w3

6 × r=π×(15 mm )×(1,097 mm )3

6× 8 mm= 1,296 mm3

Vdd = Volumen de desgaste en el disco (mm3).

R = Radio del camino de desgaste (mm).

w = Ancho del surco (mm).

r = Radio de punta o esfera (mm).

Cálculo de las Velocidades de desgaste:

Velocidad de desgastepunta=(Vdptiempo )

Velocidad de desgastedisco=(Vddtiempo )=( 1. 296 mm3

13 ,15min )= 1,64 x 10-3(mm3

min )Calculo de las Resistencias al desgaste:

Rp =( 1Vdp )

Rd =( 1Vdd )=( 1

1,296 )= 0,772 ( 1

mm3 )Rp: resistencia al desgaste de la punta.

Rd: resistencia al desgaste del disco.

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Cálculo de las Velocidades de desgaste:

Velocidad de desgastepunta=(Vdptiempo )

Velocidad de desgastedisco=(Vddtiempo )=( 1,296 mm3

13 ,15min )∗(1min60s )= 1,64 x 10-3(mm3

s )

Cálculo de las Constantes de Desgaste:

Kdd =VddS × P

=(1,296 mm3

30 m × 7,357N )* ( 1m1000mm )

3

= 5,872 E-12 m3

Nw .m

Kdp =VdpS × P

Kd: constante de desgaste (m3/N.m)

S: distancia de deslizamiento (m)

P: fuerza normal aplicada (N)

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Apéndice B: Asignación

1. En relación a la topografía superficial de piezas mecánicas, defina los siguientes términos:

RUGOSIDAD.

En mecánica la rugosidad es el conjunto de irregularidades que posee una superficie.

La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial.

Éste, permite definir la microgeometría de las superficies para hacerlas válidas para la

función para la que hayan sido realizadas.

ONDULACION.

Son Irregularidades menores que pueden ser ocasionadas por la flexión de la pieza

durante el maquinado, falta de homogeneidad del material, liberación de esfuerzos

residuales, deformaciones por tratamientos térmicos, vibraciones, etc.

SESGO DE SUPERFICIE.

El sesgo de superficie facilita la eliminación de la pieza del molde y es especialmente

importante en el moldeo por inyección rápida cuando los moldes sólo son de tiro

recto (cuando no hay acciones laterales, por ejemplo).

Las normas asociadas al número de grados de sesgo que se precisa varía dependiendo

de la geometría y de otras características de la pieza (por ejemplo, los requisitos de

textura de la superficie), pero en general, cuanto más mejor.

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TEXTURA SUPERFICIAL.

La textura de la superficie consiste en las desviaciones repetitivas o aleatorias de la

superficie nominal de un objeto; la definen cuatro características: rugosidad,

ondulación, orientación y defectos o fallas.

2. A que se refieren las siguientes leyes y postulados:

Ley de Amontons.

Se refiere a que la presión varia directamente y de manera proporcional con la

temperatura si esta se mide en una escala absoluta.

Ley de Coulomb sobre fricción.

Establece que la fuerza de rozamiento máxima (FRmax) que puede existir entre dos

cuerpos en contacto es directamente proporcional al valor de la fuerza normal (N) de

contacto entre ellos. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de

rozamiento al deslizamiento (m).

3. Describa 3 mecanismos distintos de desgaste.

DESGASTE ABRASIVO.

En el desgaste abrasivo el material es removido o desplazado de una superficie por

partículas duras, de una superficie que se desliza contra otra.

DESGASTE ADHESIVO.

El desgaste adhesivo ocurre entre dos superficies que se encuentran en contacto, las

cuales se adhieren fuertemente formando uniones entre ellas.

DESGASTE CORROSIVO.

Es caracterizado como la degradación de materiales en donde la corrosión y los

mecanismos de desgaste se encuentran involucrados.

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4. Explique como influirán las siguientes variables sobre la tasa de desgaste

de un par triboligico:

POLVO DE GRAFITO:

Este polvo es muy erosivo por lo que si no se limpia bien la superficie en estudio y las guisa de la maquina acelera el proceso de desgaste con el tiempo. Además este polvo mezclado con el aceite de las guías forma una pasta que se va endureciendo, perdiendo precisión en el trabajo. Se pueden obtener tolerancias muy estrechas con herramientas de acero rápido.

LUBRICANTES:

Las capas finas de lubricantes actúan no solo disminuyendo la considerablemente la fricción, sino también en el desgastes. Algunas capaz reaccionan con el metal y el medio ambiente, y aunque disminuyen la fuerza de fricción (debido a la capa límite formada) esta surge y desaparece lo que provoca simultáneamente el desgaste en la superficie.

OXIDO:

La formación de una película de óxido en la superficie de contacto esta puede operar como lubricante, en la mayoría de los materiales no es posible ya que dicha película es muy frágil. Al ser esta capa de óxido frágil queda expuesta a los fenómenos de deslizamiento del sistema, siendo esta removida.

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ANALISIS DE RESULTADOS

En la tabla 1 se observan las rugosidades en las micras con las cuales se trabajaron en

la realización de la practica, observándose su media o promedio al igual que la

desviación estándar de la misma. Por su parte en la tabla 2 se encuentran los datos

experimentales obtenidos en el estudio tribologico, en el cual se observan todos los

parametros medidos, se puede apreciar que para un mayor diametro de esfera se

obtuvo un mayor radio de la huella, a pesar de que el tiempo de prueba fue menor con

respecto a la esfera de menor diametro la cual obtuvo un radio de huella menor a

pesar de que el tiempo de prueba fue mayor.

De igual modo en la tabla 3 se plasmaron los diametros promedios de las

huellas calculadas en cada punta de las esferas obteniendose que la punta B, es decir

la del acabado fino presento mayor diametro de huella. Era de esperarse que para el

lado rugoso al ser la superficie mas irregular se debe desgastar mayor cantidad de

material para obtener la misma huella que un lado liso, o en su defecto, ser sometido

a un mayor tiempo de prueba.

Por su parte en la tabla 4 se ecnuentra el ancho promedio de la huella

calculada tanto para el surco norte como para el sur, notandose que en la mayoria de

las mediciones del surco norte la huella fue mayor.

Finalmente en las tablas 5 y 6 se encuentran los calculos obtenidos para la

punta y el disco de los pares utilizados en la practica, siendo A el rugoso y B el fino,

notandose que para el par fino el volumen desgastado y la resistencia al desgaste son

menores en la punta por lo antes mencionado y por ende la velocidad de desgaste es

mayor. Por otra parte el volumen desgastado en el disco del par A fue mayor a la del

par B debido a la rugosidad de éste último.

Juan Guerra

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CONCLUSIONES

Luego de finalizado el ensayo se pudo concluir lo siguiente:

Mientras mayor sea el diámetro de la esfera el radio de la huella obtenida es

mayor, se podría decir que son directamente proporcionales lo que conlleva a

que mientras menor sea el diametro de la esfera el radio de la huella sera

menor.

El tiempo de prueba a los cuales son sometidas las esferas influye obviamente

en el radio de huella a obtener, sin embargo no influye tan considerablemente

como el tamaño de la esfera.

El radio de la huella para pares lisos es mayor a los obtenidos para pares

rugosos.

Los pares rugosos necesitan desgastar una mayor cantidad de volumen en

comparacion a los pares lisos para obtener un radio similar de huella.

La velocidad de desgaste es mayor en los pares finos.

Juan Guerra

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RECOMENDACIONES

Agilizar el proceso de lijado de las probetas para reducir el tiempo empleado

en la práctica.

Si es posible preparar por lo menos 4 probetas con diferentes diametros para

estudiar los cambios que pueden sufrir los radios de las huellas.

En lo que respecta al tiempo de prueba se puede hacer una comparacion entre

los rangos en los cuales empiezan a parecerse los resultados obtenidos por

superficies lisas y rugosas.

Juan Guerra

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