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Introducción a la tribología

1.- Introducción

2.- Historia de la Tribología

3.- Aspectos económicos

4.- Aspectos energéticos

5.- Aspectos ecológicos

6.- Soluciones tribológicas

7.- Definiciones básicas

8. Sistema tribológico; parámetros básicos

8.1.- Parámetros estructurales (materiales)

8.2.- Parámetros operacionales

8.3.- Parámetros de interacción

8.3.1.- Fuerzas y energía de interconexión

8.3.2.- Modos de deformación por contacto

8.3.3.- Relación entre área de contacto y huella de desgaste

8.3.4.- Modos de lubricación

9.- Características tribométricas

9.1.- Medida de la fricción

9.2.- Medida del desgaste

10.- Hoja de datos

1. Introducción

¿Qué significa la palabra tribología? La palabra viene del griego tribos que significa

fricción o rozamiento y logos que significa tratado o estudio. Etimológicamente es la ciencia

de la fricción, la ciencia que estudia los fenómenos que se producen cuando dos superficies

en contacto se mueven una respecto a la otra. En una acepción más amplia, es la ciencia y la

técnica de los sistemas en movimiento que se encuentran en contacto mutuo. Estudia y define

todos los problemas relacionados con el transporte de carga. Pretende dar una visión conjunta

del problema del rozamiento, el desgaste y la lubricación que tradicionalmente se venían

estudiando por separado y por tanto abarca la fricción, el desgaste, la lubricación, el diseño,

así como muchos aspectos relacionados con la Física, la Química, la Mecánica, la Metalurgia,

la Reología, la Fisiología, etc., por lo que se convierte en una auténtica disciplina de

Ingeniería

Tribología y lubricación Página 1


Antes de discutir la importancia y tipos de los problemas tribológicos en la industria,

debemos tratar de esbozar una visión global del problema. La interacción de dos superficies

sólidas en un entorno dado resulta en unas manifestaciones externas:

Disipación de energía originada por la resistencia al movimiento, caracterizada por el

coeficiente de rozamiento. Esta disipación resulta en una liberación de calor en el

contacto y una pequeña, pero a veces significativa, generación de ruido. El hecho de que

siempre son dos las superficies sólidas que interaccionan implica que el coeficiente de

rozamiento hay que referirlo al par de superficies. Hablar del coeficiente de rozamiento

del acero sin referirlo a la superficie sobre la que contacta es incorrecto y confuso. La idea

de superficies sin fricción es científicamente imposible, lo mismo que la afirmación de

que un bajo coeficiente de fricción implica un acabado superficial fino no siempre es

cierta.

Modificación de las características básicas de las superficies durante el proceso de

deslizamiento. Pueden convertirse en más pulidas o rugosas, alterar sus propiedades

físicas como la dureza e incluso perder parte del material en un proceso llamado desgaste.

Los cambios pueden ocurrir de forma beneficiosa, como en el proceso de rodaje, cuando

dos superficies se adaptan a condiciones casi ideales de funcionamiento, o pueden ocurrir

de forma desastrosa, cuando se produce un fallo en la superficie de un componente que

obliga a reemplazar la pieza averiada, o puede desembocar en la destrucción de la

maquina.

Prácticamente todo lo que se mueve forma parte de un sistema tribológico, en el que

pueden intervenir dos o más sólidos, sólidos y líquidos y sólidos y gases. Ejemplos son los

mecanismos para transmitir movimiento o transformar energía en trabajo, la fricción de los

tejidos, la acción del aire sobre los vehículos terrestres o las aeronaves y muchos otros,

incluidos los movimientos de las articulaciones animales.

A primera vista podemos pensar que el objeto de la tribología es reducir la fricción y el

desgaste. Una excesiva fuerza de rozamiento en la bisagra de una puerta sería inadmisible. De

forma similar, toda la energía empleada en vencer la resistencia en rodamientos y otros

mecanismos se transforma en calor, con la consiguiente pérdida de rendimiento. Pero hay

muchas aplicaciones de ingeniería en las que se necesita aplicar la fricción para cumplir con

los requisitos funcionales del sistema. Los frenos, embragues, ruedas de vehículos, etc.,



funcionan gracias a la existencia de la fricción, y la combinación de tuerca y tornillo trabaja

por la fricción entre ambos componentes.

Algo parecido ocurre con el desgaste. Hay casos, como la adaptación de las superficies

durante el rodaje, en los que el desgaste evidentemente es deseable. En general, el desgaste es

una consecuencia indeseable del rozamiento entre superficies. El hecho de que un

componente se desgaste excesivamente nos conduce a la destrucción de la maquina tras

superar cierto límite, creando la necesidad de remplazarlo antes de traspasar el límite citado.

Cuando se conoce la evolución de este fenómeno en una fase de diseño hablamos de

maquinaria o componente de "vida limitada".

Un método de reducir la fricción y a menudo el desgaste consiste en lubricar las

superficies. El estudio de la lubricación esta muy relacionado con la fricción y el desgaste.

Incluso en ausencia de un lubricante exterior, los agentes atmosféricos, en especial el oxigeno

y la humedad pueden actuar como verdaderos lubricantes y deben tenerse en cuenta en

cualquier estudio de superficies en contacto.

2. Historia de la Tribología

Sería muy difícil, aún remontándose a la Prehistoria y, dentro de ella, tanto como lo

permitiera la existencia de datos conocidos, establecer cuál fue la época en la que el hombre

inició su lucha contra los fenómenos de la fricción y el desgaste. Las primeras aplicaciones

prácticas debieron ser generar calor para encender fuego y la de superar la fricción y el

desgaste en la construcción de sus armas arrojadizas y sus instrumentos rudimentarios.

Cualquiera que fueran los primitivos medios de transporte para el arrastre, levantamiento y

colocación de sus monumentos megalíticos, tuvo que tropezar con los fenómenos de fricción.

Podemos afirmar que, desde el comienzo de su existencia, debió enfrentarse a los fenómenos

de fricción y desgaste, intentando suavizarlos y disminuirlos.

El invento de la rueda se conoce como uno de los hitos de la humanidad. El uso

adecuado de este invento permite reducir el trabajo necesario para superar la fricción. Los

estudios arqueológicos concluyen que el hombre reconoció las ventajas del movimiento

rodado frente al deslizado hacia el año 5.000 a.C. en algún lugar de Mesopotamia.

En la construcción de las pirámides (del 5.000 al 3.000 a.C.) ya se utilizó el sustituir los

materiales de las superficies en contacto (madera sobre suelo) por otra combinación con

menor coeficiente de rozamiento (patín de madera sobre troncos de madera) y el patín

deslizante, porque las ruedas no soportaban grandes cargas. La pintura mural que



reproducimos en la fig. 1.1, hallada en una gruta de El Bersheh (Bajo Egipto), tiene una

antigüedad de unos 4.000 años y representa minuciosamente el traslado de un coloso de

alabastro con unos rodillos sobre dos patines de madera. Es curioso comprobar la exactitud

del cálculo que tuvieron que efectuar los técnicos encargados de aquella operación de

transporte.

Fig. 1.1. Pintura mural de la gruta de El Bersheh

Basándonos en sus dimensiones comparativas y en datos de jeroglíficos anexos se

puede admitir razonablemente que la estatua de alabastro pesaba unas 60 toneladas. Las

dimensiones estimadas del patin de madera utilizado para su traslado es de unos 5 m de

longitud por unos 40 cm de anchura, lo que nos da una presión unitaria sobre el suelo de unos

1,5 kg/cm2. Sabemos que el coeficiente de fricción de madera sobre madera lubricada, es del

orden de 0.16. Admitiendo que la fuerza de tracción desarrollada por un hombre es

aproximadamente de unos 55 Kg, calculamos que se necesitan 174 hombres para el arrastre.

Kg9.600 60.000 0,16 F F Nf 174,5 55

9.600 hombres de Nº

Lo curioso es que aparecen minuciosamente dibujados 172 hombres empleados en la

tracción además de un capataz que aparece derramando el lubricante y otros tres que llevan

recipientes o jarras con lubricante de reserva.

Por aquella misma época, también los egipcios empleaban grasas animales en la

lubricación de los ejes de sus carros de guerra. En el año 1.400 a.C. los egipcios utilizaron las

primeras grasas sintéticas, fabricadas de aceite de oliva con cal, para la lubricación de los ejes

de madera de sus carruajes.



Plinio el Viejo (23 a 79 d.C.) en su Historia Natural compiló una lista de aceites

vegetales que consideraba podían ser utilizados como lubricantes.

El estudio científico de la dinámica del movimiento y de los fenómenos de fricción es

mucho más reciente. Se han encontrado manuscritos de Leonardo da Vinci (1.452–1.519) con

detalles de cálculos en los que tiene en cuenta la fuerza de rozamiento. Leonardo llegó a

concluir que existía una relación constante de ¼ entre la resistencia y la fuerza normal.

A partir del siglo XVII la lubricación abandona sus planteamientos empíricos y se

comienza a tratar de forma científica, debido fundamentalmente a Galileo (1.564–1.642) por

sus estudios sobre el rozamiento y el plano inclinado y la formulación del principio de la

inercia y a los descubrimientos de Newton (1.642-1.727) sobre la resistencia viscosa de los

fluidos y el enunciado de las leyes básicas por las que se rigen los fenómenos de lubricación,

expuestos en su obra Principios matemáticos de la filosofía natural en 1.687. Ambos

sentaron las bases para el estudio del movimiento.

A partir de esta fecha, los trabajos de Amontons (1.663-1.705) en su obra Nueva toería

del rozamiento y Coulomb (1.736-1.806) con su Teoría de las máquinas simples, mostraron

que la fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal, llamando coeficiente de

rozamiento a la relación entre ambas ( = Ff / FN) y comprobaron que es independiente del

área de contacto. Ambos formularon algunas reglas sobre el comportamiento de los sólidos

respecto a la fricción, basándose en la generalización de los resultados de una gran cantidad

de experimentos, sin llegar a encontrar su justificación teórica.

Con la revolución industrial se pasa de la fase de postulados y teorías a la de ensayos y

realizaciones prácticas, iniciándose el estudio de los principios de la hidrodinámica,

fundamento de los cojinetes lubricados. Petroff en 1855 pone de manifiesto las propiedades

lubricantes de los aceites minerales destilados del petróleo bruto. En 1.872 Tower publica La

conductividad de los líquidos, confirmando experimentalmente los trabajos de Petroff.

Posteriormente Reynolds estudia el comportamiento dinámico de los líquidos y fluidos

viscosos, demuestra la existencia de una velocidad crítica y subraya la importancia de la

relación conocida como Nº de Reynolds que permite clasificar el movimiento de los líquidos

en régimen laminar o turbulento.

Kingsbury, en Estados Unidos; el ingeniero australiano Michel, Lasche y Stribeck,

efectúan pruebas y crean tesis sobre la lubricación de cojinetes, profundizando en los



conocimientos para reducir los coeficientes de fricción y evidenciando la importancia de las

nuevas técnicas.

La vertiginosa marcha de la Humanidad a partir de la I Guerra Mundial (1.914 a 1.918)

en lo que al progreso mecánico se refiere, con la creación de una serie de máquinas y

mecanismos de las más diversas clases y aplicaciones, con crecientes exigencias en cuanto a

rendimiento, velocidad, potencia y precisión ha obligado a mejorar y perfeccionar la técnica

de lubricación de las mismas. Sería inacabable la relación de investigadores y técnicos que

han colaborado en esta rama de la ciencia.

La complejidad de los problemas de una correcta lubricación en cualquier mecanismo,

su importancia en cuanto a la económica utilización de éste, a su conservación y a su óptimo

funcionamiento y duración, han contribuido a la emancipación de la Tribología como una

rama independiente de la ciencia. Las leyes que la rigen, siendo casos particulares de la

Mecánica, Termodinámica, Química o Hidrodinámica, sufren en la fase experimental tal

cantidad de variaciones respecto a sus fundamentos básicos, que precisan un campo privado

de estudio, íntimamente ligado a los constantes progresos y mejoras en las teorías

constructivas de maquinaria, mecanismos y motores térmicos. Hoy no se concibe la

formulación de un problema de lubricación sin tener en cuenta todos los aspectos

relacionados con él, y de conceptos tan concretos como fricción, temperatura, rugosidad

superficial, etc., se ha pasado a la utilización de términos mucho más amplios como sistema

tribológico, constituido por los materiales que friccionan y su ambiente, lo que determina la

cohesión de esta ciencia interdisciplinaria.

La Tribología se encuentra organizada racional y metódicamente en los laboratorios y

centros de investigación y orientación industrial, tanto públicos como privados, en países

avanzados en esta materia, como Alemania, Bélgica, Francia, Inglaterra, Estados Unidos y

Rusia. Con objeto de aunar esfuerzos y llegar a criterios generalizados se creó el Consejo

Internacional de Tribología que tiene asignada la misión de canalizar la información que

recibe de todo el mundo, fomentando las actividades tribológicas en los países, convocando

cada cuatro años un Congreso Internacional cuya sede cambia de localización de una vez a

otra.

En España se realizan actividades tribológicas en centros del Consejo Superior de

Investigaciones Científicas. En 1.975 se creó el Grupo Especializado en Tribología como una



rama de la Sociedad Española de Física y Química, con el objeto de impulsar la enseñanza,

investigación, desarrollo y promoción de la Tribología.

3. Aspectos económicos

Las principales consecuencias de la fricción son el desgaste y la pérdida de energía. No

nos ha de sorprender la estimación de Rabinowicz que cerca del 10 % de la producción de

energía mundial se use para superar las resistencias por algún tipo de fricción. Utilizando

las mejores prácticas tribológicas podemos contribuir de forma efectiva a la conservación de

los recursos que tanto preocupa a la sociedad en la que vivimos. Por estos motivos, los

gobiernos de los países desarrollados han realizado estudios para valorar las pérdidas e

invierten recursos para mejorar sus practicas tribológicas.

Durante la Segunda Guerra Mundial (1.939 a 1.945), el Tercer Reich Alemán, a través

de la Universidad Técnica de Dresde y con la colaboración estadística de varios Ministerios,

emprendió una intensa labor de investigación sobre los fenómenos de la fricción y el desgaste

en los motores térmicos y sus consecuencias en el orden industrial y económico. Tomamos de

este trabajo la siguiente cita: La economía de una nación puede quedar gravemente afectada

por efecto de los desgastes excesivos de los elementos constitutivos de los motores y de la

maquinaria de sus industrias, por lo que creemos que para lograr un mejor rendimiento y

una mayor productividad, es preciso emprender una intensa campaña contra el desgaste y

los fenómenos de la fricción.

Aunque nos quede un poco distante en el tiempo, es obligado citar los resultados del

informe Jost de 1.966, elaborado por el comité británico de Lubrication (Tribology),

Education and Research. El informe estimó que, por la correcta aplicación de los principios

tribológicos, se podrían ahorrar anualmente en el Reino Unido una cantidad no inferior a 515

millones de libras por año. En la fig. 1.2 puede verse la proyección del mismo informe al año

1.986.

Fig. 1.2. Proyección del informe Jost a 1.986



En 1.970 los Estados Unidos consumían 1/3 de la energía mundial, ¾ de la cual

provenía del petróleo. Solamente el 10% de las reservas mundiales correspondían a este país

mientras la Unión Soviética contaba con el 26%. Además, USA había gastado la mitad de sus

reservas mientras los soviéticos solo explotaban un 6% de las suyas. Se pusieron en marcha

estudios para el ahorro energético. En 1.978 el comité de investigación de ASME, en su

informe Strategy for energy conservation trough tribology, indicó que los ahorros de energía

se pueden obtener en cuatro grupos principales: transporte por carretera, generación de

potencia, turbomaquinaria y procesos industriales. Estimó en un 11% el potencial de ahorro,

valorándolo en unos 16 billones de dólares, con una inversión mínima de tan solo 24 millones

de dólares.

En la tabla 1.1 esta tabulada la evolución de los consumos y despilfarros de energía en

USA por los cuatro grandes sectores de usuarios, que los podemos usar como referencia de

consumo en los países industrializados.

ENERGÍA DESPERDICIADA POR SECTORES EN USAPerio

doSector Energía entrada Energía desperdiciada

10 14 Kcal. % del total 10 14 Kcal. % del sector% del total



Dato

s de

1..97

0

Transportes 10,25 24 7,62 75 17,9Servicios 9,37 32 6,12 65 14,4Industrial 13,12 31 4,25 25 7,6Comercial 10,00 23 2.50 25 5,9

Total 42,74 100 20,49 --- 45,8

Previ

sión

para

1.990

Transportes 8.3 25 15,50 75 19Servicios 12,4 37 20,50 67 24Industrial 7,2 22 5,65 32 7Comercial 5,5 16 4,88 35 6

Total 33,4 100 46,53 --- 56

Tabla 1.1. Energía total y desperdiciada en USA

Estudios similares se han realizado en varios países desarrollados, considerando no solo

el ahorro de energía sino también el de materiales. La R.F.A. según datos de 1.976 estimaba

en 10 billones de marcos las pérdidas por fricción y desgaste, siendo la mitad debidas a

desgaste abrasivo.

Calculemos a título de ejemplo, en unos 200 millones, el número de vehículos

automóviles que circulan por el mundo y supongamos un peso medio por vehículo de unos

1.500 Kg. Esto representa nada menos que unos 300 millones de Toneladas de metales que,

además de los férricos, comprenden en menor cuantía otros de mayor valor, tales como el

cobre, el plomo, el zinc, el manganeso, el vanadio, el tungsteno, el molibdeno, el cromo, etc.

Después de no más de diez años serán considerados como chatarra. Imaginemos cuáles

pueden ser las ventajas económicas que se obtendrían si se consigue, mediante una adecuada

práctica tribológica un aumento, aunque sea pequeño, en la vida útil del vehículo. Ampliemos

el problema incluyendo el sector industrial con un número parecido de máquinas

herramientas y de mecanismos. Con un adecuado mantenimiento y conservación es indudable

que se obtendrían incluso mejores resultados.

4. Aspectos energéticos

La pérdida de energía aparece como consecuencia del trabajo que se realiza para

superar las fuerzas de fricción y por tanto, la reducción de este trabajo representa

directamente un ahorro. Además de este ahorro directo, la tribología ayuda con la

investigación de mejor maquinaria y produce un ahorro considerable al disminuir el desgaste,

lo que repercute en menos paradas para sustituir partes desgastadas (que a su vez requieren



consumo de energía para fabricarlas, e incluso operaciones de minería) y en el coste de los

repuestos.

Los tres factores que contribuyen directamente a la disipación de energía de fricción son

el contacto directo, el esfuerzo viscoso y las pérdidas por histéresis. Son manifestaciones de

las fuerzas de atracción entre los átomos o moléculas y de la existencia de bajos estados de

energía potencial.

El tipo de contacto depende de la naturaleza de los materiales, el acabado de las

superficies, la intensidad de la carga a la que están sometidas y la velocidad relativa. El

deslizamiento produce siempre un cierto grado de desgaste. Los bajos coeficientes de fricción

no siempre van unidos a desgastes pequeños. Por eso el diseñador de una maquina eficiente

debe equilibrar el desgaste y la fricción buscando siempre el óptimo.

Cuando se evita el contacto directo entre superficies introduciendo un lubricante, se

produce disipación de energía debido a las fuerzas de viscosidad. En la mayoría de los casos

la energía consumida en cizallar el lubricante se controla por las leyes del flujo laminar de

fluidos, pero cuando las fuerzas de inercia son altas comparadas con las fuerzas viscosas del

fluido, aparece la turbulencia que origina una gran disipación de energía. Cuando se produce

un aumento de la viscosidad al incrementar la presión se ayuda a mantener la separación entre

superficies sometidas a cargas hertzianas, se reduce o elimina el desgaste, pero se produce un

aumento en la fricción debido a la alta viscosidad.

El tercer fenómeno que produce disipación de energía es la histéresis. La histéresis

mecánica es una pérdida de energía dentro de la masa de los materiales sólidos y ocurre por

ejemplo en los rodillos fuertemente cargados. Consiste en la falta de coincidencia entre las

curvas de extensión y contracción en los diagramas que muestran la correlación entre

esfuerzo y deformación de un material plástico. La histéresis eléctrica y la magnética pueden

aparecer en cojinetes magnéticos y en cojinetes donde están presentes campos magnéticos y

películas de aceite.

La aportación de la tribología en la conservación de la energía no solo se reduce a

controlar la fricción, sino que también influye en el proceso. Las temperaturas a las que

pueden trabajar los cojinetes y los cierres normalmente limitan las temperaturas de operación

que pueden tolerarse en maquinas de motor caliente. Aumentando las primeras se consigue

mayor eficiencia del ciclo de Carnot y por tanto conservación de energía a lo largo de la vida

de la máquina.



La segunda ley de la termodinámica afirma que aunque es posible convertir el trabajo

completamente en calor, el proceso no es reversible, es decir, el calor puede convertirse en

trabajo tan solo parcialmente. El máximo trabajo que puede obtenerse de una cantidad

determinada de calor esta definido por la eficiencia de Carnot, que solamente depende de dos

parámetros, las temperaturas absolutas iniciales y finales del sistema. Para alcanzar la

máxima eficiencia posible se debe tener la máxima temperatura de entrada, Ti, y la más baja

de salida, Tf.

i

fi

TT - T

El sector del transporte consume en torno al 25 % de la energía. En la tabla 1.2

podemos ver que solo el 12 % de la energía consumida por un coche llega a las ruedas, que

junto con el 2,5 % consumido por los accesorios supone un aprovechamiento del 15 %. El

restante 85 % es energía perdida. Hay que estudiar un mejor aprovechamiento, mejorando los

materiales, los lubricantes y otros puntos relacionados con la tribología.

Los puntos más importantes que pueden afectar a la economía del motor de los

automóviles son el conjunto pistón camisa, la viscosidad del aceite, la transmisión y el tipo de

motor.

29 % refrigeración del cilindro

33 % al escape

* 6 % bombear aire

38 % restante

* 4 % otras fricciones del motor

* 3 % pérdidas en cilindro y camisa

- 12 % a las ruedas: 6 % neumáticos



6 % resistencia aerodinámica

* 25 % restante - 4 % impulso y ralentí

- 3,5 % frenadas

- 2,5 % accesorios: 0,5 % alternador

0,5 % dirección

0,5 % bomba de aire

0,5 % bomba de agua

0,5 % ventilador

- 1,5 % transmisión

- 1,5 % diferencial

Tabla. 1.2. Distribución de la energía consumida por un turismo durante un ciclo EPA

5. Aspectos ecológicos

La justificación desde el punto de vista ecológico esta relacionada fundamentalmente

con la lubricación. Mejorando las propiedades de los lubricantes se pretende optimizar sus

prestaciones y consumos, por lo que se generarán menos residuos.

En el desarrollo de lubricantes sintéticos una característica importante es que sean

biodegradables.

Con el diseño de máquinas herméticas se ha conseguido lubricar los cojinetes con el

propio fluido trasegado permitiendo a las máquinas trabajar sin generar lubricantes usados.

Los mismos beneficios se consiguen con los cojinetes magnéticos.

Los últimos avances están en la línea de cojinetes hidrostáticos que evitan el contacto

entre partes metálicas en arranques, paradas y durante la operación de la máquina,

consiguiendo que el lubricante teóricamente sea “eterno”.

6. Soluciones tribológicas

En este punto vamos a introducir de forma conceptual diferentes soluciones, de uso

común en la industria, al problema de soportar un esfuerzo a través de unas superficies, con

un nivel aceptable de fricción y desgaste.

Lubricación: Las superficies de contacto están separadas por un producto gaseoso,

líquido o sólido. En los dos primeros casos, el fluido esta sometido a la presión necesaria

para mantener las superficies separadas. La presión puede producirse por un sistema

externo de bombeo, lubricación hidrostática, o generarse en el mismo sistema debido a su

particular geometría y condiciones de funcionamiento. Este sistema da lugar a la



lubricación hidrodinámica y depende fundamentalmente de la viscosidad del fluido.

También se utilizan lubricantes sólidos como el grafito y el bisulfuro de molibdeno así

cómo productos viscoplásticos (grasas) obtenidos al espesar un aceite mineral o sintético

con un jabón normalmente metálico.

Rodamientos y cojinetes: Las superficies se separan interponiendo bolas o rodillos o

bien piezas porosas autolubricantes. La gran variedad de cojinetes y rodamientos usados

en la industria evidencia el valor de esta solución.

Tratamientos y recubrimientos de materiales: Modificación de las propiedades físicas

de los materiales en contacto y/o de sus superficies mediante tratamientos térmicos

(temple, cimentación, nitruración) o con aportación de elementos metálicos, químicos o

plásticos.

7. Definiciones básicas

Fricción: Resistencia al movimiento que se experimenta un cuerpo sólido al deslizar

sobre otro. La resistencia, que es paralela a la dirección del movimiento, se llama fuerza

de rozamiento.

Desgaste: Daño que sufren las superficies cargadas, en movimiento relativo, acompañado

de pérdida de material.

Esfuerzo: Fuerza exterior aplicada al sistema. El sistema de fuerzas aplicado a una

superficie se reduce a una resultante general y a un par. La resultante produce variaciones

en la longitud, tracción y compresión, mientras que el par modifica la curvatura, flexión y

torsión.

Tensión: Reacción del sistema a los esfuerzos externos. Las tensiones normales, , las

producen esfuerzos normales a la sección y las tensiones tangenciales o de cizalladura, ,

se deben a esfuerzos tangenciales a la sección.

Deformación elástica: La que es reversible y sin pérdida de energía. Se produce desde la

ausencia de esfuerzo hasta el límite elástico. Responde a Ley de Hooke: las

deformaciones son proporcionales a los esfuerzos.

Deformación plástica: La que se produce una vez superado el límite elástico. Es

irreversible y va asociada a una disipación de energía.

Límite de fluencia: Valor de la fuerza por unidad de superficie que marca el límite del

dominio plástico.



Límite elástico: Valor máximo de fuerza por unidad de superficie para el cual la

deformación permanente no supera el valor predeterminado del 2%.

Carga de rotura: Valor mínimo de la fuerza por unidad de superficie con el que se

rompe la pieza.

Dureza: Capacidad de resistir la penetración superficial. El ensayo consiste en medir la

huella producida por un estilete de punta esférica de acero (Brinell) o de diamante

(Rockwell C). Para los materiales férricos existe una buena correlación entre dureza y

resistencia a la tracción.

Superficies conformes: Son las que encajan una en la otra con un alto grado de similitud

geométrica. La carga se reparte en una superficie relativamente amplia como ocurre en los

cojinetes de manguito.

Superficies disconformes: Son aquellas en las que por razón de su geometría el contacto

se realiza en un área relativamente reducida, como ocurre en los rodamientos de bolas.

Reología: Estudio de las leyes que rigen el comportamiento de los cuerpos deformables,

viscosidad, plasticidad, elasticidad y el flujo o movimiento de la materia.

Histéresis: Falta de coordinación entre dos procesos interrelacionados, el retardo en la

evolución de un fenómeno con relación al otro. Debido a la histéresis la evolución de un

proceso físico depende de la historia del mismo de forma que el estado del sistema

depende de la causa que produce la modificación y de los valores alcanzados en procesos

análogos anteriores. Debido a la histéresis elástica se produce una falta de coincidencia

entre las curvas de extensión y contracción en los diagramas que muestran la correlación

entre esfuerzo y deformación de la materia elástica.

Módulo elástico o de Young, E: Relación entre el esfuerzo a tracción, , aplicado a un

cuerpo y el alargamiento unitario que le produce, en la zona de deformación elástica.

Coeficiente de Poisson, : Relación entre la contracción unitaria, S, y el alargamiento

unitario, L, producidos en un cuerpo sometido a esfuerzo de tracción, , en la zona de

deformación elástica.

L

E

,L

S

,SF ,

0

0

0 L L- L

L L

L ,

0

0

0 SS - S

S

S

S



8. Sistema tribológico; Parámetros Básicos

Un sistema es un conjunto de elementos interconectados por su estructura y función. El

más simple de los sistemas tribológicos es el formado por dos sólidos, elementos 1 y 2, un

agente lubricante y el entorno. Para definir completamente el sistema tendremos que

referirnos a las propiedades de cada elemento y sus funciones.

Los tribosistemas que nos encontramos en aplicaciones de ingeniería desde el punto de

vista funcional se pueden clasificar de forma general en uno de los siguientes grupos:

Transmisión: guiado, acoplamiento, control, paro e inhibición de movimiento, fuerza,

energía mecánica y potencia, cojinetes, juntas, engranajes, embragues, pernos, frenos, etc.

Transporte y control de flujo: tuberías, rueda, raíl, neumático, carretera, válvulas,

cierres, etc.

Mecanizado: conformado, maquinado y desgarro de materiales, prensado, torneado,

fresado, etc.

Generación y transmisión de información: cabezales de impresora, dispositivos

magnéticos de grabación, etc.

Vamos a intentar definir un ensayo tribológico de laboratorio con la intención de ver

todas las características y factores que le afectan. Nos permitirá obtener una visión general de

la tribología y seleccionar las variables en las que podemos influir en situaciones reales.

Para entender el alcance del ensayo tribológico lo compararemos con un ensayo

mecánico. En los ensayos mecánicos la resistencia del material, expresada en unidades de

fuerza por sección, se determina aplicando ciertos esfuerzos como tracción, compresión,

desgarro, torsión o flexión. Los resultados obtenidos se consideran propiedades intrínsecas

del material y se les puede aplicar la ley de semejanza, según la cual, los resultados obtenidos

en una probeta son aplicables a otras de dimensiones diferentes, si son semejantes en forma.

Básicamente dependen de dos grupos de parámetros:

Parámetros materiales: composición, microestructura y geometría de la probeta.

Parámetros operacionales: tipo de esfuerzo, carga, temperatura, velocidad de

deformación.

Si comparamos el ensayo mecánico, para obtener datos de resistencia, con el ensayo

tribológico para obtener datos de fricción y desgaste, fig 1.3, vemos que en éste hay que

considerar numerosas características y factores. La fricción y el desgaste no son propiedades



intrínsecas de los materiales, sino que hay que referirlos al sistema tribológico completo,

normalmente los materiales que interaccionan y el lubricante interpuesto.

Fig. 1.3. Características de ensayos de resistencia de materiales y tribológicos.

En el ensayo de un sistema material/material (fricción seca) o de un sistema

material/lubricante/material (fricción lubricada), la resistencia al movimiento, fricción, o la

resistencia al daño de la superficie, desgaste, viene determinada por el tipo de movimiento,

rodadura o deslizamiento. Los resultados obtenidos hay que entenderlos asociados con un

tercer grupo de parámetros:

Parámetros estructurales (materiales): las propiedades físicas, químicas y tecnológicas

de los componentes (materiales, lubricante, y entorno) involucrados en el ensayo.

Parámetros operacionales: son la carga, cinemática, condiciones de temperatura y la

duración.

Parámetros interaccionales: caracterizan la acción de los parámetros operacionales

sobre los componentes estructurales del sistema y definen sus modos de contacto y

lubricación.

Parámetros estructurales (materiales)

El análisis de los parámetros estructurales debe identificar los componentes

involucrados en un sistema tribológico. En cualquier situación de fricción y desgaste, están

involucrados cuatro tribocomponentes: los triboelemento 1, triboelemento 2, el elemento



interpuesto, por ejemplo lubricante o partículas de polvo y el medio ambiente, por ejemplo

aire o atmósfera corrosiva.

Atendiendo a su estructura, los tribosistemas se pueden clasificar en

Cerrados: los tribocomponentes se encuentran continuamente involucrados en la

fricción y el desgaste

Abiertos: existe un flujo de material hacia y desde el sistema, por ejemplo sistemas de

fabricación por mecanizado o moldeado. Suelen ser difíciles de caracterizar.

En la fig. 1.4 se muestran elementos estructurales y las correspondientes

configuraciones simplificadas de ensayo de los ejemplos tabulados a continuación:

Tribosistema Elemento 1 Elemento 2 Elem. interpuesto AmbienteCaja de engranajes Engranaje 1 Engranaje 2 Aceite aire

Rueda/rail Rueda Rail Humedad aireGuía de deslizamiento Guía Soporte Grasa aire

Cojinte Casquillo Eje Lubricante nieblaExcavadora Pala Tierra --- polvo

Molino Rueda Mandíbula Mineral aire



Fig. 1.4. Configuración de ensayo y estructura elemental de tribosistemas.

Los parámetros estructurales de los tribosistemas cerrados se pueden clasificar la

mayoría de las veces en dos grupos.

En el primero se incluyen los parámetros que dependen de los triboelementos l y 2:

Parámetros químicos: como la composición de la capa superficial, de las capas más

internas, subcapas y la composición del núcleo.

Parámetros físicos: como la conductividad térmica.

Parámetros mecánicos: el módulo de elasticidad, dureza, y fragilidad, etc.

Parámetros geométricos: geometría, dimensiones, y topografía de superficie.

Parámetros microestructurales: tales como el tamaño del grano, densidad de dislocación, y

energía de adherencia.

En el segundo grupo se engloban los que dependen del elemento interpuesto y el medio

ambiente:

Propiedades químicas: composición, contenido de aditivos, acidez y humedad.

Propiedades mecánicas: viscosidad y características de viscosidad temperatura y

viscosidad presión.

Propiedades de los elementos añadidos como el polvo, humedad, suciedad, etc.

Parámetros operacionales

Los parámetros operacionales caracterizan las condiciones de funcionamiento del

tribosistema. Son variables independientes que se pueden modificar durante el ensayo,

exceptuando la temperatura inducida por la fricción, para obtener los datos de fricción y

desgaste experimentalmente. Los parámetros operacionales básicos son:

Tipo de movimiento: es decir, la cinemática de los triboelementos 1 y 2, que a su vez se

puede clasificar como deslizamiento, rodadura, rotación e impacto como se muestra en la

fig. 1.5. Hay que considerar todas las posibles combinaciones y si es continuo,

intermitente, inverso u oscilante.

Carga (FN): definida como la fuerza total, incluyendo el peso, que actúa perpendicular al

área de contacto entre los triboelementos 1 y 2.

Velocidad (u): que se especificará con respecto a los vectores componentes y los valores

absolutos de los movimientos individuales de los triboelementos. Hay que distinguir entre

la velocidad relativa ur, importante para la temperatura inducida por la fricción, la



velocidad total (suma de velocidades) ut, importante en sistemas lubricados para la

formación de películas hidrodinámicas y la relación entre deslizamiento y rodadura.

Tiempo: dependencia de un conjunto de parámetros operacionales (FN, u y T) de ciclos de

carga e intervalos de calentamiento y enfriamiento.

Temperatura (T): de los componentes estructurales en situación y tiempo determinados, es

decir, la temperatura inicial de los elementos (situación estable) y la temperatura inducida

por la fricción, que debe estimarse calculando el calor de fricción.

Duración (t): de operación, actuación o ensayo

Además de estos parámetros operacionales puede ser necesario el estudio de otras

variables que distorsionen el ensayo como vibraciones, radiaciones, etc.

Fig. 1.5. Cinemática de tribosistemas.

Parámetros de interacción

Los parámetros de interacción caracterizan la actuación de los parámetros operacionales

sobre los componentes estructurales del tribosistema. Definen el modo de contacto y el modo

de lubricación de un tribosistema con una estructura material/material o

material/lubricante/material dada.

El modo de contacto de dos cuerpos sólidos se caracteriza microscópicamente por

interacciones entre los materiales, que dependen de los esfuerzos del contacto y de la

distribución de los mismos. Las fuerzas de interacción entre los materiales causan una



resistencia al movimiento, fricción, y pueden conducir a daño en la superficie, desgaste. Las

interacciones de esfuerzos y materiales en un tribosistema se denominan mecanismos de

fricción y desgaste, o de forma general, procesos tribológicos, y de manera específica

adhesión, abrasión, reacciones triboquímicas, fatiga superficial, etc.

8.1 Fuerzas y energía de interconexión

Teóricamente las fuerzas interactivas que actúan en el contacto de sólidos incluyen

todos los tipos de fuerzas atómicas y moleculares que contribuyen a la cohesión de los

sólidos. Nos referimos a las fuerzas debidas a los enlaces, ya sean metálicos, iónicos o

covalentes y a las fuerzas de van der Waals. Estas fuerzas superficiales dependen de la

naturaleza físico-química de los materiales, de la estructura y composición de la capa

superficial y de sus contaminantes. Hay que tener en cuenta que la composición química, la

naturaleza electrónica o la microestructura de la superficie pueden ser bastante diferente de la

de las capas más profundas.

Experimentalmente la única forma de caracterizar las interacciones adhesivas entre dos

cuerpos sólidos en contacto bajo una carga normal FN, es medir la fuerza Fa, de sentido

opuesto a FN, necesaria para destruir los enlaces y separar las dos superficies. La relación

entre ambas fuerzas se denomina coeficiente de adhesión (a = Fn / Fa). Las fuerzas interactivas

entre los átomos de los picos de las superficies, incluyendo las de fricción, se pueden medir

con un microscopio de fuerzas atómicas (nivel de ruido 2*10E-11 N).

En términos energéticos, la formación de un contacto sólido/sólido resulta en la

liberación una energía de superficie, consecuencia de la sustitución de dos superficies por una

interacción sólido/sólido de menor energía superficial. El cambio en la energía de superficie

por unidad de área de contacto se puede escribir como = 1+2-12 siendo 1 la energía

superficial del cuerpo 1, 2 la del cuerpo 2 y 12 la energía de interacción.

8.2 Modos de deformación por contacto

Cuando dos materiales sólidos planos y secos, se ponen en contacto estático, sometidos

a la acción de una carga normal, las asperezas del tribocontacto se deforman elástica o

plásticamente por la acción de la carga. El índice de plasticidad define el modo dominante de

deformación y depende de las propiedades de deformación y de los parámetros topográficos

de la superficie de los triboelementos. La suma de las áreas de los puntos de contacto da el

área real de contacto, Ar, que es mucho más pequeña que el área geométrica, o, área aparente

de contacto.



El área real de contacto cuando hay deformación elástica depende fundamentalmente

de la relación de FN al módulo elástico compuesto E´ y cuando la deformación es plástica, de

la relación FN al límite elástico E , o la dureza H del más blando de los cuerpos. Si además

de la carga normal FN se introduce una fuerza de fricción Ff, las asperezas de contacto

aumentan y tendremos una área de contacto considerablemente mayor. Los parámetros que

caracterizan el contacto de dos materiales están resumidos en la fig.1.6. Además, en

aplicaciones de ingeniería, el modo de deformación de contacto puede verse influido

adicionalmente por ciertas perturbaciones como la desalineación y las vibraciones.

Fig. 1.6. Características de un tribocontacto entre dos cuerpos sólidos

Los esfuerzos de contacto en un tribosistema dependen del grupo de parámetros que

caracteriza la geometría del contacto, por ejemplo configuraciones de contacto conformes o

no conformes, la elasticidad, viscoelasticidad, plasticidad, o dureza de los materiales y la

carga externa estática o dinámica.

Para cuerpos disconformes, la situación de contacto elastoestática a nivel macroscópico

se define por las ecuaciones de Hertz. Para ilustrar los parámetros básicos consideraremos el

contacto puramente elástico de dos cuerpos esféricos de radio r1 y r2, módulo elástico E1 y E2



y coeficientes de Poisson 1 y 2, bajo una carga normal Fn dibujado en la fig. 1.7. La presión

de contacto P en el punto 1 situado dentro del área de contacto y el radio de contacto aH

vienen dados por las siguientes fórmulas, siendo r el radio de curvatura y E´ el módulo

elástico compuesto:

21

2

H2H

N

a1 - 1

a 2 F3

P

31

N

31

H F E´2r 3 a

1

21 r1

r1 r

1

2

22

1

21

E2 - 1

E2 - 1 E´

Cuando adicionalmente se aplica una fuerza tangencial Ft menor que FN ( es el

coeficiente de fricción estático) a un contacto estático Hertziano, en el área de contacto

hertziana aparecen zonas de deslizamiento y de no deslizamiento antes de que se detecten a

nivel macroscópico movimientos relativos entre los dos cuerpos. El área de no deslizamiento

es el círculo de radio ai y el área de deslizamiento queda reducida a la corona circular definida

por los radios aH y ai, siendo:

8.3 Relación entre área de contacto y huella de desgaste ( )

En los procesos tribológicos el área de la huella varía con el tiempo porque depende de

la cinemática y de la carga y puede ser diferente para cada triboelemento de un tribosistema

dado. Se define un nuevo parámetro de tribocontacto, la relación área / huella, que se

identifica con la letra . En la fig.1.8 se muestra la configuración de un ensayo para un

sistema disco punzón con parámetros diferentes para cada elemento y las características que

afectan a cada uno de ellos. Si para un tribosistema dado los parámetros son distintos para

los dos triboelementos 1 y 2 entonces los dos triboelementos están sujetos a acciones

tribológicas distintas con respecto a la cinemática, esfuerzos, calor inducido por la fricción, e

interacciones atmósfera/material.

Como conclusión, en la investigación de los tribosistemas se debe analizar

cuidadosamente la respuesta de los triboelementos a los procesos tribológicos. Los

parámetros de tribocontacto juegan un importante papel a la hora de diseñar ensayos que

simulen el comportamiento real de sistemas tribológicos de ingeniería. Un material para un


31

2

2

1

t

nHi F

Faa


cierto tribosistema real sólo debe ensayarse en un proceso de simulación donde los materiales

de la probeta tengan los mismos parámetros de tribocontacto.



Fig. 1.7. Contacto Hertziano entre dos cuerpos esféricos

Fig.1.8. Parámetro de tribocontacto

8.4 Modos de lubricación

Los modos de lubricación de los tribosistemas se determinan por los parámetros

estructurales: módulos de Elasticidad E1 y E2, radios de curvatura r1 y r2, rugosidad superficial

Ra1 y Ra2, viscosidad del lubricante Z, índice de viscosidad, coeficiente de viscosidad/presión

,... y por los parámetros operacionales: carga FN, velocidad u y temperatura del aceite. Se

distinguen tres regímenes principales de lubricación según las curvas de Stribeck

representadas en la fig. 1.9 en las que se aprecia que las variaciones de los coeficientes de

fricción y desgaste dependen de la combinación de parámetros , Z y FN o de la relación entre

espesor de película y rugosidad . Los diferentes regímenes de lubricación se corresponden

con rangos de valores de fricción y desgaste.

Régimen I: Lubricación límite (1 < 1). En este régimen, el comportamiento tribológico

depende de los procesos de fricción y desgaste sólido/sólido, influenciados por la química

y la física de la interfase.



Régimen II: Lubricación mixta (1< <3). Este régimen consiste en una coexistencia entre

la separación parcial por película de lubricante y los contactos sólido/sólido.

Régimen III: Lubricación por película fluida (hidrodinámica o elastohidrodinámica EHD,

con >3). En este régimen, el comportamiento tribológico depende de la reología del

lubricante y puede ser calculado con herramientas de la mecánica de fluidos, por ejemplo

la ecuación de Reynolds.

Fig.1.9. Curvas de Stribeck

9. Características tribométricas

Las características tribométricas son medidas de los resultados de las interacciones

entre caras. La fricción puede ser descrita por parámetros relacionados con la fuerza o la

energía y el desgaste por parámetros relacionados con la geometría y la materia. Además de

los parámetros numéricos de fricción y desgaste que se definen más abajo, hay que

considerar otros parámetros como el ruido inducido o las vibraciones, y caracterizar los



cambios en la microestructura y composición de los elementos y la forma y composición

tanto de las superficies de desgaste como de las partículas generadas en el proceso.

9.1 Medida de la fricción

La fricción, clasificada como estática o dinámica, es la resistencia a iniciar o mantener

un movimiento de dos cuerpos en contacto. Dependiendo de la cinemática, la fricción se mide

como una fuerza, Ff, en los casos de deslizamiento, o como un par, Ts o Tg, cuando se trata de

spin o rodadura. El coeficiente de fricción deslizante se define como la relación entre la

fuerza de fricción Ff necesaria para comenzar o mantener el movimiento relativo tangencial a

la carga normal FN. De forma análoga, para movimientos de giro o rodadura, se definen los

coeficientes de fricción rodante o de spin como la relación entre el par de giro, Tg, o de spin,

Ts y la carga normal. El trabajo o energía de fricción, con respecto a las cinemáticas

consideradas para deslizamiento, rodadura o rotación viene dado por:

dLF EL

0ff

0

sf d T E

0

r f d T E

siendo L la distancia de deslizamiento y θ el ángulo recorrido en el giro o la rotación.

9.2 Medida del desgaste

El desgaste es la progresiva pérdida de materia en las superficies de los elementos

interactivos del tribosistema. Se debe medir en cada uno de los triboelementos. En la fig.

1.10, se ilustra de forma simplificada como hacerlo. Se mide en términos de:

Longitud: un cambio dimensional en la geometría de interacción los triboelementos,

perpendicular al área común de contacto.

Área: cuando se produce un cambio en las dos dimensiones de la sección transversal

perpendicular al área de contacto.

Volumen: se produce cambio en las tres dimensiones de las regiones geométricas del área

de contacto. El volumen de desgaste esta conectado vía densidad o peso específico con

masa de desgaste y peso de desgaste.

Velocidad de desgaste, W: relación entre desgaste y tiempo.

Índice de desgaste: volumen de desgaste por unidad de longitud de deslizamiento

Coeficiente de desgaste, k: es la relación entre el volumen de desgaste y la carga aplicada

por la distancia.



L FV K N

Fig. 1.12. Medidas del desgaste en un tribosistema

10. Hoja de datos

Los análisis descritos hasta ahora nos han mostrado que en un ensayo tribológico hay

que considerar los parámetros estructurales, los operacionales y los de interacción y los

resultados hay que medirlos en términos de fricción y de desgaste. Los datos del ensayo deben

quedar reflejados en un documento que como mínimo debe contener la identificación de los

tribocomponentes estructurales junto con el juego de variables operacionales. En resumen,

debe servir para sistematizar el ensayo, compilar los parámetros más relevantes, guía para el

análisis de fallos y por último documentar los resultados.




Tribosistema:Función:Estructura Elemento 1 Elemento 2 Lubricante AmbienteDesignaciónDensidadVolumen DimensionesRugosidadModulo elast.DurezaMicroestructuraCinética del ensayo:Carga Fn VelocidadÁrea de contacto TemperaturaPresiónde contacto DuraciónRelación área/huella 1 2 Rleción espesor de película/rugosidad ()Coeficiente de fricción incial máximo finalDesgaste Longitud Área Volumen CoeficienteElemento 1Elemento2

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