ATTRITO
Superfici in contatto e coefficiente di attrito
La forza minima che vince la resistenza al movimento di due pezzi in
contatto è proporzionale alla forza normale tra i due pezzi
Fs = µs P
µs è il coefficiente di attrito statico.
Quando lo scorrimento è iniziato la forza decresce
Fk = µk P
perché µk, il coefficiente di attrito dinamico, è inferiore a quello statico.
La ragione per cui la forza resistente è proporzionale alla forza P e non alla
estensione della superficie del pezzo è legata all’aspetto superficiale di
ogni pezzo. La superficie presenta sempre asperità. Pertanto il carico tra le
due superfici è retto solo dalle parti in contatto.
A bassi carichi le asperità presentano deformazione elastica. Col crescere
del carico si ha deformazione plastica. Quando l’asperità cede e forma una
giunzione tra i due pezzi
P ≈ aσy
dove a è l’area di contatto effettiva e σy è il carico di snervamento sotto
compressione. Ne risulta che l’estensione dell’area di contatto è
dipendente dalla forza P.
Sulle asperità la resistenza allo sforzo di taglio si oppone allo scorrimento.
Lo scorrimento avviene quando si raggiunge il carico di snervamento di
taglio, k.
Fs ≈ a k ≈ a σy/2 = µs P
Coefficienti di attrito
Materiale
Metalli puliti in vuoto
Metalli pulito in aria
Metalli puliti in aria umida
Acciaio su metallo antifrizione, su
ceramici
Metallo lubrificato (olio)
Lubrificanti per alta temperatura
(MoS2, grafite)
µ
> 5, grippaggio
0.8 – 2
0.5 – 1.5
0.1 – 0.5
0.05 – 0.2
0.05 – 0.2
La formazione di strati di ossido impedisce il contatto esteso tra superfici
metalliche.
Metalli teneri hanno basso coefficiente di attrito ma ampie aree di contatto,
quindi l’attrito è forte.
Metalli duri hanno basse aree di contatto ma presentano alta resistenza
pertanto l’attrito è ancora forte.
I materiali resistenti all’attrito (basso µ) sono costituiti da leghe di metalli
teneri e duri in modo da avere basse aree di contatto e giunzioni poco
resistenti.
La lubrificazione fornisce uno strato di molecole interposto tra le due
superfici.
Lavoro di adesione e mappa della compatibilità
Si tratta del lavoro specifico (per unità di superficie) necessario per
separare due superfici a contatto:
Wab = γa + γb - γab
dove γa, γb, γab sono le energie superficiali dei materiali a e b e l’energia di
interfaccia tra a e b.
Valori di Wab sono dell’ordine: 1-3 J/m2 per materiali con legame
metallico o covalente, 0.1 – 0.5 J/m2 per materiali con legame ionico, < 0.1
J/m2 per i polimeri.
Contributi al lavoro di adesione possono venire da: formazione di
ancoraggi meccanici, formazione di coppie di diffusione, trasferimento di
elettroni con formazione di un doppio strato elettrico, formazione di nuovi
legami chimici, adsorbimento.
Il lavoro di adesione è approssimato mediante
Wab = c(γa + γb)
con c = 1 per materiali identici, 0.5 per materiali compatibili, 0.32
parzialmente compatibili e 0.12 per materiali incompatibili. L’ultimo caso
si ha quando il legame è diverso. Per i metalli si ha diversa compatibilità a
seconda della possibilità di formare o meno soluzioni solide o composti.
Ne deriva la mappa della compatibilità:
Attrito adesivo e abrasivo
Attrito adesivo si ha quando, applicata una forza normale P, la forza
tangenziale necessaria per mantenere una velocità costante di strisciamento
tra due corpi si identifica con la forza di taglio necessaria a separare le
asperità a contatto (vedi sopra Fs ≈ a k = µs P). Nella quantità P è contenuto
il contributo del lavoro di adesione Wab.
Il contributo abrasivo deriva da deformazione plastica di uno dei due
materiali a contatto. Nello schema seguente un cono duro produce un solco
nel materiale plastico con un angolo di attacco Θ sotto un carico P. Ne
risulta una addizione al coefficiente di attrito pari a
µ abr =
FS 2tgΘ
.
=
P
π
Transizioni nel coefficiente di attrito
Durante il tempo o nel corso di una prova il coefficiente di attrito può
passare attraverso incrementi, stati stazionari o picchi dovuti,
rispettivamente, a rimozione di strati superficiali, equilibrio nel
movimento, iniziale contatto con ossidi,….
USURA
Quando i metalli vengono in contatto in regioni dove il film di ossido si
scaglia o viene a mancare il lubrificante, si ha usura.
I tipi di usura principali sono due: adesiva ed abrasiva.
Usura adesiva
Una volta che si sia avuta adesione tra due asperità, la resistenza della
giunzione dipende dalla resistenza allo sforzo di taglio nella zona
incrudita.
L’usura si riduce riducendo l’area di contatto (minor carico P, maggiore
resistenza k).
Il tasso di usura, w(m2), è definito come volume asportato/distanza
percorsa ed è dato da
w = Ka = K
P
H
con a l’area di contatto effettiva, K la costante (coefficiente di usura
espresso in forma adimensionale) di Archard e H la microdurezza del
materiale. K rappresenta la frazione di giunzioni che danno luogo a
frammenti di usura ed assume valori tra 10-7 (materiali non compatibili) e
10-1 (es. metalli dello stesso tipo). Il tasso di usura si esprime anche come
w = k A P o anche w = ΩS essendo Ω la velocità specifica di usura riferita
alla superficie S e kA la costante di Archard avente dimensioni dell’inverso
di una pressione ed unità di misura Pa-1. Ne consegue
Ω = kA
P
K
= k Aσ e k A =
con σ lo sforzo in direzione normale allo
S
H
slittamento.
Usura abrasiva
E’ dovuta a diversa durezza dei corpi contatto (usura a due corpi) o
frammenti duri che abradono la superficie (usura a tre corpi). I frammenti
possono derivare da usura adesiva seguita da ossidazione. Nell’esempio
qui sotto l’usura produce un solco ed un truciolo che viene rimosso: si
parla di microtaglio. Se il solco è prodotto soltanto mediante deformazione
plastica senza asportazione di materia si parla di aratura. Nel primo caso il
tasso di usura è pari a alla sezione del solco. Ne deriva
w=
2tgΘ P
π H
, analoga alla formula di Archard.
Nella mappa dei micromeccanismi di usura abrasiva per materiali duttili
sono individuate varie regioni in funzione dell’angolo di attacco.
L’ordinata f è proporzionale al rapporto σ/k essendo τm = σ/2 e τY ≡ k.
Per materiali fragili si può avere usura abrasiva per frammentazione
superficiale (indentazione seguita da propagazione di cricche). La mappa
seguente classifica i materiali secondo la resistenza all’usura in funzione
della durezza.
Altri tipi di usura
Tribo-ossidazione
Usura ossidativa causata dalla interazione dalle superfici a contatto con
l’ambiente, solitamente aria. Si tratta di un fenomeno complesso.
Ad alta velocità di strisciamento si ha alta temperatura di flash ed
ossidazione delle asperità. D’altro lato l’ossido può essere protettivo (se
sottile). Ma anche l’ossido può sinterizzare e dar luogo a frattura fragile
ed a frammenti di usura.
Il tasso di usura è espresso come
C 2ks P
w=
vZ c H
con C una costante legata alla stechiometria della reazione di ossidazione,
ks la velocità specifica della reazione, v velocità di strisciamento, Zc
spessore critico a cui l’ossido forma un frammento di usura.
Usura per fatica
In presenza di sollecitazione superficiale periodica, anche se vi è
lubrificazione, si possono formare cricche superficiali. Dalle cricche si
possono staccare frammenti (vaiolatura). Le cricche possono propagarsi
per deformazione di taglio e dar luogo a spalling (distacco di frammenti)
Usura erosiva.
E’ causata dall’impatto di particelle dure sulla superficie, sospinte da un
fluido.
Altri meccanismi: fusione, grippaggio, per diffusione
Formazione dello strato tribologico
Lo strato tribologico è lo strato superficiale del materiale interessato da
vari fenomeni del processo di usura: deformazione plastica delle asperità,
fatica oligociclica, mescolamento di frammenti di usura di diversa
provenienza, formazione di ossidi superficiali.
Lo strato ha elevata durezza: forte affinamento del grano, presenza di
componenti duri.
Dallo strato tribologico si possono distaccare frammenti a seguito della
formazione e propagazione di cricche e conseguente delaminazione.
Attrito e usura sulla nanoscala (AFM e MEMS)