L’Usura e i suoi meccanismi (1/2): Adesiva & Abrasiva

Articolo a cura di Simone Americi.
Per usura si intende la perdita di materiale di una superficie di un corpo a contatto con una superficie di un secondo corpo soggette fra loro a moto relativo. La rapidità di usura o il tasso di usura viene definito come volume (o come è equivalente massa) di materiale rimosso per uno spostamento relativo tra le superfici unitario.

Anche se simile al fenomeno dell’attrito l’usura è un fenomeno assai più complicato, con cause diverse ancora non oggi del tutto chiarite e che non è relazionato all’attrito in maniera unica o semplice. Non è difficile ad esempio trovare superfici a basso coefficiente di attrito ed alto tasso di usura (ad esempio in materiali solubili fra loro, metalli o leghe) o viceversa. Per questo motivo si evitano stessi materiali per elementi cinematici collegati fra loro o che lavorano per strisciamento, contatto. Si distinguono in generale quattro diversi tipi di meccanismi di usura: usura adesiva, usura abrasiva, usura corrosiva e fatica superficiale. Passiamo all’analisi generale di questi quattro meccanismi.

Usura adesiva:

Come è noto le superfici dei corpi solidi non sono mai perfettamente lisce, ma presentano, in misure diverse in base al materiale ed al tipo di lavorazione, una certa rugosità. L’accostamento di due superfici mette in contatto inizialmente le sporgenze più accentuate e via via altre meno pronunciate fino all’equilibrio dei carichi.

Le zone di contatto fra due superfici sono pertanto molto limitate e su di queste gravano pressioni tanto accentuate da superare, nella maggior parte dei casi, il limite del carico di snervamento del materiale, localizzando quindi delle deformazioni plastiche. A causa di queste alte pressioni si verificano molte volte fenomeni di microgiunzioni.

Coefficiente attrito statico > coefficiente dinamico?

Per avere moto relativo è necessario rompere tali microgiunzioni spiegando perché il coefficiente di attrito statico è in quasi tutti i materiali maggiore del coefficiente di attrito dinamico. Se tale rottura delle microgiunzioni avviene in corrispondenza dell’interfaccia fra i due corpi non si ha il fenomeno dell’usura.

Le superfici saranno sì modificate a causa delle deformazioni plastiche ma la quantità di materia sarà la stessa di quella prima del contatto.

Nel caso invece, molto più frequente, in cui la microgiunzione si trascini (durante l’atto di moto) parte di materiale di una delle superfici si verifica il meccanismo dell’usura, adesiva in questo caso.
Il volume V di materiale asportato è proporzionale all’area di contatto fra le due superfici e allo spostamento relativo s fra i due corpi: V=K*A_cs=K*Ns/R_s

Con K costante di proporzionalità. Tale legge esprime le condizioni della usura adesiva.
La proporzionalità del volume asportato con lo spostamento relativo con il carico applicato Ns e la tensione di snervamento R_s.
Tale legge vale nei casi in cui la pressione media di contatto è minore di R_s/3 circa; superata tale condizione il tasso di usura cresce più rapidamente all’aumentare del carico.

Usura abrasiva:

Quando un materiale più duro con una rugosità superficiale accentuata è in moto relativo a contatto con una superficie di un materiale più tenero provoca il meccanismo della usura abrasiva.
Il materiale più tenero viene solcato dalle asperità superficiali di quello più duro. Tale meccanismo avviene anche a causa di asperità, particelle di materiale, presenti fra le due superfici in moto relativo.

Quale modello matematico la approssima?

Queste particelle provengono dall’ambiente esterno o dalla stessa azione di usura (come quella adesiva o corrosiva) che portano alla generazione di detriti di elevata durezza. Le leggi che regolano l’usura abrasiva sono le stesse dell’usura adesiva. Il volume di materiale asportato è proporzionale al carico, allo spostamento relativo ed inversamente proporzionale al carico di snervamento.

Nel contatto fra due metalli la costante di proporzionalità K è tanto maggiore quanto più elevato è il rapporto fra le durezze superficiali dei materiali a contatto. Cioè maggiore è la differenza tra i moduli di durezza dei due corpi. Se questi materiali sono uguali, K tende a 0 e l’usura abrasiva non ha luogo.

Dopo aver centrato l’attenzione sui fenomeni riguardanti il contatto (appoggio, presso-strisciamento, cicli di lavoro tra corpi in moto relativo) vi rimandiamo alla seconda e ultima parte dell’approfondimento in merito all’usura.
Scopriremo le ultime due principali meccaniche riguardanti l’usura nei materiali e la loro importanza: SECONDA PARTE.