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8/16/2019 Clase 1 - II Unid.desgaste Erosivo
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Docente: Ing. Sofía Terrones Abanto
Curso: INTEGRIDAD ESTRUCTURAL, DURABILIDAD Y VIDA EN SER
DE LOS MATERIALES
Tema:
DESGASTE EROSIVO
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El desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad de
elementos de máquinaindustrias minera y alimenticia, así como:
turbinas hidráulicas, implementos agrícolas, s
de bombeo y dragado en ríos y minas, al igual que piezas
específicas usadas en las ind
petrolífera y petroquímica, entre otras muchas aplicaciones.
Con este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de material
y la consecuente falla
piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en
virtud del tiempo asocia
reparación de equipos y substituciones de los componentes
desgastados.
El conocimiento de los mecanismos de remoción de material
involucrados durante el d
erosivo, así como el reconocimiento y la caracterización de las
diferentes variables involu
son líneas muy importantes de investigación en la ingeniería
actual.
El desgaste erosivo
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Un fenómeno que actúa de forma sinérgica con la erosión, es la
co
general cuando el medio de trabajo es húmedo.
La acción combinada de estos procesos, corrosión y desgaste
erosivo,
la degradación acelerada de los materiales debido a su comp
sinérgico. El proceso de desgaste corrosivo en materiales que
for
pasivas es acelerado cuando esta capa es débil.
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El comportamiento del desgaste erosivo en los materiales depende
en gran medid
condiciones de impacto de las partículas duras sobre la
superficie, así como
propiedades de esta última. Finnie quien fue uno de los
pioneros en las investigdel desgaste erosivo divide en tres grupos
los factores que interviene en la erosió
sistema determinado.
En primer grado se encuentran las condiciones del
flujo del fluido; ángulo de
velocidad de la partícula, rotación de la partícula,
concentración de las part
el fluido, la naturaleza del fluido y su temperatura.
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En segundo grado se encuentran las propiedades de la
partícula; tamaño, f
resistencia (resistencia a la fragmentación).
Y en el tercer grado las propiedades de la
superficie; la resistencia como función de la
deformación, razón de deformación y
temperatura, dureza, tenacidad a la fractura,
microestructura (una o más fases).
Debido a la gran cantidad de factores que intervienenen el
fenómeno de desgaste erosivo en los materiales,
es necesario estudiar cada factor para determinar su
influencia en cada material.
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Se entiende por ángulo de impacto a laorientación del movimiento
del flujo de las
partículas que se dirigen contra una superficie
sólida.
Al variar el ángulo de impacto la razón de
erosión de un material cambia, como se observa
en la gráfica esquemática de la Figura 1.4.
La mayor razón de erosión en los materiales
dúctiles se encuentra entre los ángulos de 20º y
30º, mientras que para los materiales frágiles la
mayor erosión se presenta a 90º.
Efecto del ángulo de impacto.
Figura 1.4 Resistencia a la erosión relativa
frágiles.
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Mecanismo de eliminación de material a altos ángulos, por
formación de
material altamente deformado en forma de “labios”.
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La Figura 1.6 muestra la microestructura de un acero
de 0.6% de carbon
tratamiento térmico de recocido por esferiodización, el cual fue
expueimpactos de partículas de Al2O3 de 355 mm, a un ángulo de
90º.
La presencia de material deformado es evidente debajo de la
supe
expuesta a la erosión (sub-superficie) así como el material
desplazado y ap
hacia las orillas del cráter formado por el impacto de la
partícula abrasiva.
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En el caso de los materiales frágiles, durante el
impacto de una partícula, el área de contacto en
la superficie es deformada y debido a la altacompresión y
esfuerzos de corte, se forma una
grieta radial después del impacto a altos
ángulos.
La deformación plástica induce altos esfuerzos
de tensión que resultan en grietas laterales
acelerando la remoción del metal.
La cantidad de material removido será mayor
para los materiales con muy baja ductilidad,
particularmente a altos ángulos de impacto.
Figura. 1.7.
Figura 1.7 Esquema de la formación
de una partícula rígida en
frágil.
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En la Figura 1.8 se muestra la microestructura de un acero de
0.6% C con
martensita templada, en donde los impactos de partículas de
Al2O3 de 355
mm, a un ángulo de 90º, generan grietas laterales que promueven
la
remoción del material.
En ambos casos la deformación
plástica está presente en la
superficie erosionada con lo cual
algunos autores han relacionadoeste factor con la
ductilidad del
material y la tenacidad a la
fractura.
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A bajos ángulos se pueden distinguir tres tipos de daño
en una superficie erosionada, Figuras 1.9 (a), (b) y (c).
Dos de ellos son los principales promotores de
eliminación de material por procesos de corte dejando en
ocasiones la formación de surcos y virutas adheridas a la
superficie (b) y (c).
Figura 1.9 Daño de una superficie por el impacto de partículas
de diferente forma. a) Deformación por arado. b) Cor
por el impacto de una partícula angular con moviendo de
rotación hacia delante. c) Corte del tipo II de una partícu
rotando hacia atrás durante el impacto.
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En el caso (a), el proceso es conocido como
“arado”(ploughing), en donde la sup
material fluye hacia el frente o bien hacia los lados del surco.
En ocasiones est
mecanismos no genera el desprendimiento de material.
En el caso (b) el impacto de la partícula genera una penetración
provocando la defo
del material formando una silueta en forma de labio, el cual es
eliminado por subs
impactos.
El caso (c) es una de las formas que produce mayor daño ya que
la partícula pr
deformación de la superficie durante el impacto y además elimina
el material en
viruta en donde una o varias caras de la partícula actúan como
una herramienta de c
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Este proceso es conocido como corte verdadero y rara vez se
presenta a muy
ángulos de impacto.
Estos tipos de daño dependerán en gran medida de las
características de la partíc
como también del movimiento y la rotación de la partícula que le
proporciona el
que la transporta.
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Partículas con rotación normal
manecillas del reloj generan una sup
con cráteres pocos profundos y
evidencia de viruta Figuras 1.10 (a) y
cual puede compararse con el meca
de arado ( ploughing).
Figura 1.10 La rotación de la partícula puede producir diferente
daño en
una superficie erosionada. En a) y b) se considera un tipo de
arado
mientras que c) y d) pertenece al corte del tipo I.
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En el estudio de la erosión de materiales se haencontrado que
existe una relación muy fuerte con la
velocidad de la partícula. Esta dependencia
frecuentemente es expresada en la forma de:
Efecto de la velocidad de la partícula.
Donde:
E: erosión
u: velocidad de la partícula,
k: constante del material,
n: exponente que varía dependiendo del tip
Metales: n=2 y 3.5
Cerámicos: n=2 a 6.5.
El exponente de la velouna influencia de las pr
material sin embargo, tam
de impacto y las caracte
partículas influyen en la e
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Figura 1.11 Efecto de la velocidad de la
partícula en el tiempo de incubación.
Es importante evaluar los efectos que produce la velocidad de la
partícula en la e
materiales. En la gráfica de la Figura 1.11 se
muestra el comportamiento que
material al ser expuesto a diferentes valores de velocidad bajo
un flujo constante d
Una velocidad de la partícula
necesita más de 30 min para pa
de incubación (tiempo a partir
partículas empiezan a remover m
superficie que impactan) mient
una velocidad de 64 m/s, eincubación es muy cercano a cero
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Una posible explicación a la diferencia en el tiempo de
incubación se debe al endu
deformación que las partículas generan durante los impactos, a
bajas velocidades el
por deformación es lento y no produce la remoción del
material hasta que éste no se fr
A mayor velocidad de la partícula el endurecimiento en la
superficie impactada tambié
y por lo cual la fractura del material se presenta más
rápido, dando inicio al estad
remoción de material.
Además se observa también una mayor pérdida de material cuando
la velocidad de
incrementa. Esto es una consecuencia de la energía cinética que
la partícula conserva
impacto.
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1.12: Efecto de la velocidad de impa
de aluminio erosionada con partícu
mm).
En la Figura 1.12 se observa que un
aumento en la velocidad de las partículas
arroja una mayor erosión sin afectar ladependencia del ángulo de
impacto en un
aluminio erosionado con partículas de
silicio.
Esto es, a las tres velocidades, los ángulos
de impacto presentan la mayor razón de
erosión entre 20 y 30º, siendo más notorioen las velocidades de
mayor magnitud. Un
efecto similar es observado en vidrio
erosionado con partículas de alúmina.
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Las propiedades mecánicas de las partículas, especialmente la
dureza, son de gran
resistencia a la erosión en los materiales.
Partículas con dureza menor a la de la superficie causan menos
daño que partícu
dureza. La razón de desgaste depende mucho de la relación que
existe entre la
partícula abrasiva, Hp, y la dureza de la
superficie Ht , ( Hp/Ht).
En la Figura 1.13 se muestran 7 materiales cerámicos
erosionados cada uno con di
de partícula, la relación de dureza entre la partícula y la
superficie del material
cuando Hp/Ht es menor a 1 (en el caso del
carburo de silicio, PSZ y carburo de bor
erosión es baja; sin embargo cuando Hp/Ht >
1 (Silica SiO2, Vidrio borosilicato
alúmina) la razón de erosión es alta.
Efecto de las propiedades de la partícula erosiva.
Dureza de la partícula.
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Figura 1.13 Grafica de razón de erosión Vs Dureza de la
partícula/Dureza de la m
materiales erosionados con partículas de diferente dureza a una
velocidad de impa
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Por otro lado, en un estudio reciente, el desgaste erosivo en
un vidrio expuesto al
diferentes tipos de partícula muestra un comportamiento un
poco diferente, la razó
para una relación de dureza Hp/Ht
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Tabla 1.1 Propiedades de partículas abrasivas [17].
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Figura 1.14: Grafica de la
un vidrio en función de H
partícula/Dureza de muest
impacto de 90º.
La escala del eje “ y” a la iz
a las barras oscuras, las cu
velocidad de 57 m/s con t
entre (180-250 mm).
La escala del eje “y” a la da las barras de rayas, en
la
una velocidad de 45 m/
partícula entre (400-500 mm
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Figura 1.15 Imágenes de p
en el SEM.
a) Granalla de acero (400-5 b) Perlas de vidrio (63-106
c) Arena silica SiO2 (106-1
d) Alúmina Al2O3 (106-125
e) Carburo de tungsteno W
f) Carburo de silicio (106-
g) Diamante, (106-125 mm
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La forma de la partícula también afecta la razón de desgaste.
Aunque es difícil cua
efecto se ha encontrado que las partículas angulares muestran un
mayor daño que pforma esférica (Tabla 1.2).
Las partículas esféricas corresponden a perlas de vidrio y las
angulares a carburos d
cuales según la Tabla 1.1 tienen diferentes propiedades. En la
Figura 1.16, se muestr
de un acero inoxidable impactado con perlas de vidrio en forma
esférica donde la ma
es baja pero al quebrar las perlas la masa removida aumenta.
Morfología de la partícula
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Figura 1.16: Efecto de la forma de la partícula con respecto a
la masa removida
en un acero inoxidable.
Como podemo
existen marcadas
en la erosión emplean partícula
y angulares.
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El tamaño de la partícula al igual que la velocidad de impacto
son dos de los p
mayor importancia en la resistencia a la erosión ya que de estos
depende la cantidcinética que la partícula contenga antes del
impacto en una superficie.
El incremento en el tamaño de la partícula genera una mayor
erosión, tal como
Figura 1.17 (a).
Después de alcanzar el tamaño crítico de la partícula, (50
mm) la erosión ya no se
Sin embargo otros investigadores atribuyen que este tamaño
crítico depende de la
la partícula tal como lo muestra la Figura 1.17.(b) donde el
intervalo del diámetro partícula oscila de entre 50 y 100
mm para tres velocidades diferentes.
Tamaño de la partícula.
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Figura 1.17 Efecto del tamaño de la partícula sobre la
resistencia a la erosión de los materiales: a) a
una velocidad de impacto constante. b) tamaño critico de la
partícula (50 y 100 mm ) a diferente
velocidad de impacto.
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Otro efecto que produce el tamaño de la partícula en el caso del
vidrio consiste en
su comportamiento frágil a un comportamiento dúctil como se
observa en las grá
Figura 1.18 (a) y (b), donde partículas de 17.1 mm a una
velocidad de 150 m/s pro
mayor erosión a un ángulo de 90º (a) y al emplear partículas de
5 mm a la misma vmayor erosión se presenta a un ángulo de 30º
(b), comportamiento típico en u
dúctil.
La explicación a este comportamiento se debe a que
partículas muy pequeña
esfuerzo de fluencia muy altos, disminuyendo la escala de
deformación y a la m
generación de grietas laterales.
Otro factor que contribuye a este comportamiento se debe a la
baja magnitud decinética que contienen las partículas de menor
volumen. Aunque esta explicaci
entender este comportamiento no existen estudios que determinen
las consecuenc
de este fenómeno conocido como transición dúctil-frágil por el
impacto de pa
diferente tamaño.
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Figura 1.18 Erosión relativa contra el ángulo de imp
vidrio a) frágil b) dúctil.
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Los materiales difieren en su respuesta al desgaste erosivo y
también los mecanismo
ocurre el desgaste. La erosión en la superficie de un material
metálico ocurre po
plástica y fractura. Por lo tanto la razón de
erosión dependerá de la micr
propiedades mecánicas tales como el punto de cedencia,
dureza, capacidad de endu
deformación, ductilidad y tenacidad del material a ser
erosionado.
fecto de la dureza a la resistencia a la erosión
La dureza de los materiales ha sido fuertemente relacionada con
la resistenc
derivándose un gran número de investigaciones sobre esta
propiedad. Las partíc
dureza con respecto a la superficie sólida provocan un mayor
desgaste que las de
determinando una relación Hp/Ht = 1, a partir del cual la
razón de erosión aumen
dependiendo de las propiedades tanto de la partícula como del
material.
Efecto de las propiedades de los materiales
expuestos a erosión.
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GRACIASPOR SU ATENCIÓN
