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48 – Tribologia: Attrito e usura - Coggle Diagram
48 – Tribologia: Attrito e usura
Attrito
o Teoria abrasiva
• Se uno dei due corpi più duro, o asperità di uno dei due più dure → strisciamento
porterebbe a graffi e solchi su corpo più tenero
• Fenomeno detto SOLCATURA o ARATURA
• Può rappresentare meccanismo predominante quando adesione non è significativa
• Può avvenire con due meccanismi:
• generazione solco su superficie schiacciata per deformazione
plastica
• generazione graffio con asportazione di microtrucioli o frammenti
• Forza di abrasione può aumentare significativamente coefficiente di attrito
o Misura dell’attrito
• Coefficiente di attrito si determina per via sperimentale con test o direttamente nei
processi
• Prova di compressione dell’anello:
• anello piano compresso plasticamente tra due piastre riducendone l’altezza
→ espansione radiale
• attrito nullo all’interfaccia → espandono Di e De
• al crescere dell’attrito Di diminuisce (meno energia)
• valore quantificato attraverso curve di analisi teoriche
o Teoria adesiva
• Osservazione: due superfici metalliche a contatto (pulite, non lubrificate) si toccano
solo in frazioni della loro area nominale (asperità che si toccano)
• Somma delle aree di contatto: area reale di contatto (Ar)
• Superfici a contatto soggette a carico, se carichi:
• bassi → aree di contatto + estese → tensioni basse campo elastico
• alti → crescono tensioni - campo plastico:
• area contatto maggiore
• nuove giunzioni in corrispondenza di altre asperità
• In genere, alcune giunzioni in campo elastico altre in campo plastico
• Forte contatto tra asperità porta a legame adesivo, dovuto a fenomeni:
• interazioni atomiche
• solubilità reciproca
• diffusione
• Coefficiente di attrito:
• Se N: carico normale; F: forza tangenziale per avere scorrimento tra due
corpi soggetti a N
• F è la forza necessaria a rompere le giunzioni adesive
FORMULA
• μ ridotto:
• diminuendo la resistenza a taglio
• aumentando durezza materiali in contatto
• Due fenomeni tipici dell’interazione tra asperità (superfici senza contaminanti o fluidi
interfaccia):
• materiali soggetti ad incrudimento: picchi più resistenti del materiale base →
frattura della giunzione avviene sopra o sotto interfaccia
• accrescimento giunzioni: incremento area di contatto (per sopportare N) → idealmente FORMULA → F eguaglia la forza necessaria per tagliare il materiale → ADESIONE (si raggiunge il valore limite sforzo di attrito)
o Riscaldamento dovuto all’attrito
• Energia dissipata in calore con aumento temperatura all’interfaccia
• Fattori che incidono su incremento T:
• velocità
• rugosità
• proprietà fisiche materiale
o Teorie sull’attrito
• Esistono diverse teorie per spiegare l’attrito – effetti tra due corpi al variare delle
condizioni di esercizio
• Modello elementare (Coulomb):
• interazione meccanica tra asperità delle superfici a contatto (resistenza a
strisciamento tra due corpi)
• Modelli più evoluti:
• teoria adesiva
• teoria abrasiva
o Riduzione dell’attrito
• Metodi:
• scegliendo materiali che limitano adesione (carburi o ceramici)
• rivestimenti o ricoprimenti (oli o film solidi)
• riducendo rugosità (limita attrito abrasivo, può aumentare quello adesivo)
• vibrazioni ultrasoniche (generano distacchi per far fluire lubrificante)
o Attrito
• Attrito è la resistenza al moto relativo tra due corpi che strisciano l’uno su l’altro sotto
l’azione di carico normale
• Influenza processi di lavorazione:
• moto relativo (stampi, utensili, pezzi) -causa
• forze (stampi, utensili, pezzi) - causa
• aumento temperatura (dissipazione)- effetto
• ostacola flusso e deformazione materiale - effetto
• Non è sempre indesiderato può essere necessario per lavorazioni (es. laminazione)
Tribologia
• Scienza e tecnologia delle superfici interagenti e comprende lo studio di:
• attrito
• usura
• lubrificazione
• La tribologia ha avuto una continua evoluzione nel tempo
• Definizione ufficiale di tribologia:
• "La tribologia è la scienza e la tecnologia dell'interazione delle superfici in
movimento relativo e delle relative pratiche" - Jost Report (Jost, 1966)
• Concetti tribologici sono stati applicati fin dall'epoca preistorica (Ciulli E.
2019)
o Evoluzione della tribologia
Primissimi esempi applicazioni tribologiche: epoca preistorica (3500 a.C.) → generazione di
fuoco per attrito – (Dowson D., 1998)
• 3.500 - 900 a.C esempi di riduzione dell'attrito per lo spostamento di oggetti pesanti
• es. egiziani mostrano i trasporti di colossi di pietra su scivoli con uomini che versano liquidi (lubrificanti)
• 900 a.C. – 400 d.C. epoca greca e romana sviluppi nei cuscinetti e ingranaggi
• es. cuscinetto rotante per piattaforme rotanti su navi romane - lago Nemi in Italia, intorno al 50 d.C
• 1450 -1600 epoca Rinascimento diversi sviluppi tribologici legati all'attrito
• es. cuscinetto a sfera con una gabbia per ridurre l'attrito evitando il contatto
tra i corpi rotanti (da Vinci, 1493). È considerato il primo tribologo ben noto.
• Sviluppi tribologici hanno influenzato i progressi tecnici legati alle rivoluzioni industriali.
• Le innovazioni legate alle rivoluzioni industriali hanno introdotto nuovi problemi tribologici da risolvere.
• Possono essere considerati per le quattro evoluzioni industriali e tribologiche (Ciulli E.2019):
• dal 1750 al 1850, inizio ‘prima rivoluzione industriale’ caratterizzato dagli studi sull'attrito eseguiti da Coulomb (1781)
• dal 1850 al 1950, inizio ‘seconda’ caratterizzato da sviluppi di lubrificazione di Reynolds (1886)
• dal 1950 al 2000, inizio ‘terza’ (1969) dalla nascita della tribologia "ufficiale"(1966)
• dal 2000, inizio ‘quarta’ (2011) di Tribotronics (2008) – sistemi tribologici attivi
3.Usura
o Usura per sfregamento (fretting)
• Causata da contatto tra superfici in moto oscillatorio relativo di piccola ampiezza(es. vibrazioni)
• Riduzione:
Ridurre vibrazione
Migliorare la lubrificazione (più frequente)
o Usura per impatto (impact)
• Rimozione di piccole quantità di materiale in seguito ad impatto di particelle
• Fenomeno utilizzato in processi di lavorazione (burattatura, USM
o Usura adesiva
• Frattura giunzioni in contatto in prossimità dell’interfaccia
• Legame adesivo tra asperità (diffusione, solubilità) > legami di coesione di uno dei due corpi
• Forma frammenti di usura (saldati al componente Tipi:
• Usura severa: se superfici pulite e usura adesiva particolarmente elevata
• Usura moderata: ossidi superficiali (10-100 nm) riducono usura adesiva
• Riduzione:
coppie di materiali adeguati (no legami adesivi)
materiali che formano ossidi
usando rivestimenti duri
lubrificando
o Esempi usura in lavorazione
• Usura di stampi, utensili e pezzi è una combinazione di diversi tipi di usura
• Es. Stampo per forgiatura → presenti diversi tipi di usura in diverse posizioni
o Usura abrasiva
• Superficie dura e rugosa che striscia su altra superficie
• Formazione di microtrucioli
• Resistenza all’usura abrasiva ∝ durezza (metalli puri e ceramici)
• Elastomeri hanno elevata resistenza usura abrasiva (deformazioni. elastiche)
• Usura abrasiva può avvenire:
o a due corpi (asperità o corpo più duro dell’altro) → sfruttata come erosione
(AJM, AWJM)
o a tre corpi (presenza di particelle dure tra i corpi)
o Usura dei materiali polimerici e ceramici
• Ceramici: usura si manifesta con piccole deformazioni e rotture, reazioni chimiche e
solcature
• Polimeri: comportamento ad usura simile ai metalli
• resistenza ad usura abrasiva dipende dalla capacità di deformarsi
elasticamente → resistenza ↑ se ↑ durezza/modulo elastico
• tipicamente alcuni hanno buona resistenza ad usura → PA, PC, PP, HDPE
• possono essere addizionati con lubrificanti interni (grafite, silicone)
• rinforzati: dipende da orientazione, quantità e tipo rinforzo (// a strisciamento o più lunghe ↑ resistenza)
o Usura
• Definibile come fenomeno di perdita o rimozione progressiva di materiale
superficiale
• Impatti:
• economico
altera forma di stampi, utensili , pezzi
riduce rugosità superficiale
• tecnologico
• Laddove superfici molto soggette ad usura → parti di usura – componenti inseriti per
evitare danneggiamento di altre parti
• Usura classificata nelle categorie:
adesiva
abrasiva
corrosiva
per fatica
per sfregamento (fretting)
per impatto
o Misura dell’usura
• Esistono diversi metodi per osservare e misurare l’usura:
ispezione visiva
misure di variazione dei profili
misure di variazione di peso
monitoraggio prestazioni e rumore (usura porta maggiori vibrazioni e rumore)
sprettoscopia (individuare frammenti nel lubrificante)
radiografia (quantificare materiale usurato su utensile)
o Usura per fatica
• Fatica termica: conseguenza dei cicli termici
• Conseguenza → cricche si uniscono e superficie si sfoglia
• Frammenti generati da:
pitting (alveolatura)
spalling (sfogliatura)
• Riduzione:
diminuendo tensioni superficiali
limitando cicli termici
migliorando qualità materiali (↓ inclusioni, difetti
• Causata da carichi periodici (sollecitazioni cicliche) fino a formare cricche
superficiali
o Usura corrosiva
• Causata da reazioni chimiche o elettrochimiche tra superfici e ambiente
• Mezzi corrosivi es: acqua, acqua marina, ossigeno, soluzioni acide
• Fenomeno: formazione strato corroso e rimozione per strisciamento → continuo ripetersi del processo
• Riduzione:
materiali resistenti alla corrosione
controllando ambiente di esercizio
riducendo temperatura di esercizio