TRIBOLOGIA

La tribologia è la scienza che studia l’attrito, la lubrificazione e l’usura di superfici a contatto e in moto relativo.

Per la sua complessita’, l’indagine tribologica affianca quasi sempre, ai risultati teorici, risultati sperimentali, specialmente per l’attrito e per l’usura.

ATTRITO

L’attrito (o forza d’attrito) è una forza dissipativa che si esercita tra due superfici a contatto tra loro e si oppone al loro moto relativo. La forza d’attrito che si manifesta tra superfici in quiete tra loro è detta di attrito statico, tra superfici in moto relativo si parla invece di attrito dinamico.

Secondo l’interpretazione classica, esistono tre diversi tipi di attrito:

attrito radente: dovuto allo strisciamento (ad esempio, l’interazione tra due superfici piane che rimangono a contatto mentre scorrono l’una rispetto all’altra);

attrito volvente: dovuto al rotolamento (ad esempio, di un oggetto cilindrico su una superficie piana);

attrito viscoso: relativo a un corpo immerso in un fluido o a strati di uno stesso fluido in movimento con velocità diversa (attrito interno).

Ci sono diverse interpretazioni sulle cause di questa forza: la meccanica galileiana proponeva come causa dell’attrito radente le asperita‘ tra le superfici a contatto; studi più recenti hanno dimostrato che l’attrito radente è dovuto soprattutto a fenomeni di adesione (legami chimici) tra le molecole che compongono le superfici a contatto.

Gli effetti dissipativi prodotti dall’attrito volvente sono in generale molto minori rispetto a quelli dovuti all’attrito radente. Da ciò derivano le applicazioni di ruote o rulli per il trasporto di oggetti pesanti che, se trascinati, richiederebbero molta più energia per essere spostati, e l’interposizione di cuscinetti a sfere tra perni e supporti.

LUBRIFICANTE

Un lubrificante è una sostanza, normalmente liquida, che interposta tra due superfici ne riduce l’attrito e l’usura. Esso crea un sottilissimo strato che consente la separazione fra le due superfici a contatto.

Uso: il lubrificante è un elemento essenziale nella meccanica moderna. Ogni meccanismo, dal più modesto e semplice al più complesso, che abbia parti in movimento, necessita di essere lubrificato. Uno degli usi più noto a tutti è quello della lubrificazione dei motori delle nostre automobili. L’olio è indispensabile per evitare che i segmenti elastici del pistone vengano a contatto con la camicia dei cilindri. Oltre che nei trasporti e nell’industria, i lubrificanti vengono impiegati per usi personali e di natura bio-medica nella lubrificazione delle giunture di protesi artificiali e nella fabbricazione dei profilattici.

Caratteristiche: Normalmente il lubrificante contiene un 90% di olio base (molto spesso di origine minerale) ed un 10% di additivi. Negli ultimi anni, con il progredire della tecnica e con l’aumento delle potenze specifiche dei motori, altre sostanze chimiche si sono aggiunte o sostituite agli oli base minerali. Fra queste si ricordano basi idrogenate, poliolefine, esteri, silicone e molte altre sostanze di sintesi. Gli additivi hanno il compito di potenziare le caratteristiche degli oli base aumentandone la viscosita‘, l’indice di viscosita, la resistenza alla corrosione ed alla ossidazione, diminuendo l’attrito e aumentando il potere disperdente degli stessi.

Fra i lubrificanti non liquidi si possono ricordare i grassi, le polveri (grafite), il teflon ed altri ancora. In alcune applicazioni, anche un cuscino di aria compressa può fare da lubrificante.

USURA

In metallurgia, l’usura è la progressiva rimozione di materiale dalla superficie di un solido.

È causata da strisciamento o rotolamento di un secondo solido, di un liquido o di un gas.

Usura adesiva: L’usura adesiva consiste nella rottura per taglio delle asperita‘ microscopiche di due superfici metalliche in moto relativo di strisciamento tra loro.
Può essere ridotta per mezzo di un lubrificante che impedisca alle superfici di saldarsi, oppure con l’accoppiamento di metalli che abbiano una bassa solubilita‘ allo stato solido, per diminuire la resistenza delle giunzioni adesive, e la maggiore durezza possibile, per resistere alle deformazioni plastiche locali (avviene nelle bronzine). Un caso particolare di lubrificazione si ha con la ghisa grigia: le lamelle di grafite, sfaldandosi, agiscono da lubrificante. Anche la presenza di ossido può ridurre l’usura.

Usura abrasiva: nell’accoppiamento tra due superfici striscianti si possono trovare particelle dure (provenienti da uno dei due corpi o dall’esterno) che, impiantate sul materiale più plastico, incidono quello più duro, che ci sia o non ci sia lubrificante. L’usura avviene per scalfitura, strappamento, macinazione o erosione. Se non si vuole che un materiale si usuri per abrasione, si deve indurirne la superficie mediante alligazione, trasformazione martensitica, carbocementazione, nitrurazione, incrudimento. L’usura abrasiva può essere misurata come perdita di massa con il Taber Abrasion Test secondo le norme ISO 9352 o ASTM 1044. Un semplice modello analitico per il calcolo del volume di materiale asportato per usura, noto come equazione dell’usura.

Usura corrosiva: si consideri una superficie metallica ossidata; se, tramite contatto strisciante, lo strato di ossido è asportato, si ha sia la sua trasformazione in particelle abrasive, sia la formazione di nuovo ossido sulla superficie fresca. Un caso particolare è la fretting corrosion: i punti di contatto tra due superfici compresse prima si saldano, poi, sottoposti a spostamenti oscillanti microscopici, si rompono, producendo frammenti che, esposti all’elevata temperatura d’attrito, si trasformano in particelle molto abrasive.

Usura per fatica: fenomeno chiamato anche fatica superficiale. Esso è prodotto da sollecitazioni periodiche di contatto hertziano tra superfici che si scambiano forze. Cio’ puo’ alla lunga provocare l’insorgenza di cricche sia sulla superficie, sia sotto. Tali cricche possono essere peggiorate da idrogeno o acqua nel lubrificante o dal lubrificante stesso, quando la sua viscosità gli permette di penetrare nelle cricche (per esempio l’olio minerale a bassa viscosità). Nel caso di un pezzo cementato in maniera inadeguata, può avvenire la sfogliatura della superficie nel momento in cui più cricche si congiungono.