Tipos De Fallas.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Asignatura: Tribología. Nombre del Profesor: Ing. Luis Esteban Lara Chan. Nombre del alumno: Roberto Daniel Pérez Marín. Grado: 7

Grupo: “C”

Unidad III: Fallas de los elementos mecánicos por desgaste Nombre de la actividad: Tipos de fallas.

Falla de un rodamiento. El periodo que transcurre hasta la aparición del primer síntoma de fatiga del material es función del número de revoluciones que ha efectuado el rodamiento, la magnitud de la carga, la lubricación y la limpieza del lubricante. Porque falla:  Sobrecalentamiento- Decoloración de las pistas, los elementos rodantes y las jaulas de dorado a Azul/negro. 

Falso Brinelling - Marcas de desgaste elípticas en las pistas alineadas axialmente en la posición de cada bola con una terminación brillante y demarcación aguda.

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Brinelling verdadero - Ocurre cuando las cargas exceden el límite elástico del anillo. Las marcas se ven como indentaciones en las pistas que aumentan el ruido del rodamiento.

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Carga revertida - Los rodamientos de contacto angular están diseñados para aceptar cargas axiales solamente en una dirección.

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Desalineamiento - El trazo de desgaste de las bolas no es paralelo a los bordes de las pistas.

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Ajuste flojo - Deslizamiento del anillo exterior provocado por ajuste inadecuado del alojamiento.

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Ajuste apretado - Interferencia excesiva puede sobrecargar los elementos rodantes y producir un trazo de desgaste en el fondo de la pista.

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Carga excesiva - Ajustes apretados, brinelling y pre-carga inadecuada pueden también provocar tempranas fallas superficiales por fatiga de tanto los elementos rodantes como las pistas dando una apariencia de "baches" a las superficies metálicas. Corrosión - Manchas rojas/marrones en los elementos rodantes, pistas, jaulas o bandas son síntomas de corrosión.

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De todas las situaciones de falla de rodamientos, la contaminación representa la causa más común y es la más evitable. Ser conscientes de las causas de contaminación, identificar sus señales incriminatorias sobre los materiales de rodamientos y seguir algunos pasos de prevención simples ayudará mucho a reducir las fallas de rodamientos debidas a contaminación.

A medida que los elementos rodantes que componen el rodamiento van avanzando y pasando sobre las grietas, se produce el desprendimiento de fragmentos de material y este hecho se conoce con el nombre de desconchado. El desconchado va aumentando progresivamente en extensión y con el tiempo, hace que el rodamiento quede inservible.

Patrones de carga de los rodamientos 1.

1- Cojinetes radiales, que soportan cargas radiales transmitidas por ejes horizontales rotantes o gorrones.

2.

2- Cojinetes axiales o de empuje, que soportan cargas axiales transmitidas por ejes verticales rotantes o pivotes

3.

3- Cojinetes de guías, que soportan cargas de distintos tipos, guiando los elementos móviles con trayectoria rectilínea, como son los patines de deslizamiento, colizas, etc.

Carga estática equivalente La carga que se aplica virtualmente al centro de un rodamiento bajo la cual se obtiene un esfuerzo de contacto equivalente al esfuerzo de contacto máximo que ocurre en la superficie de contacto entre el elemento rodante y la pista de rodadura, cuando la carga radial y carga axial se aplican al rodamiento al mismo tiempo, se denomina carga estática equivalente. Aunque el limite permisivo de carga estática equivalente se toma típicamente como capacidad de carga estática básica, su límite deberá establecerse teniendo en cuenta la seguridad porque las condiciones requeridas para los rodamientos varían ampliamente.

Capacidad de carga estática básica. La capacidad de carga estática básica se especifica como una carga estática que corresponde al esfuerzo de contacto indicado en la tabla siguiente en el elemento rodante y el centro de contacto de la pista de rodadura que están sometidos a la carga máxima. La deformación permanente total del elemento rodante y la pista de rodadura que se produce por el esfuerzo de contacto puede ser de aproximadamente 0,0001 veces del diámetro del elemento rodante. Factor de seguridad estática: Aunque el limite permisivo de carga estática equivalente se toma típicamente como capacidad de carga estática básica, su límite deberá establecerse teniendo en cuenta la seguridad porque las condiciones requeridas para los rodamientos varían ampliamente

Factor de carga. La operación en maquinaria real está sometida a una carga mayor que la carga en dirección axial teórica debido a la vibración y el impacto. La carga real se obtiene calculando la carga aplicada al sistema de ejes utilizando el factor de carga.

Distribución de carga al rodamiento. 

El sistema de ejes se toma como una viga estática soportada por rodamientos para distribuir carga que actúa en el sistema de ejes a los rodamientos. En la Tabla 5 se muestra un ejemplo de cálculo de distribución de carga.

Transmisión de carga. Cargas de rodamientos en transmisión por correa o cadena La fuerza que actúa en la polea o rueda dentada cuando se transmite potencia mediante una correa o cadena se obtiene mediante la fórmula siguiente.

Cargas de rodamientos en transmisión por engranaje En el caso de transmisión de potencia por engranaje, los métodos de cálculo varían dependiendo del tipo de engranaje ya que la fuerza que actúa sobre el engranaje se divide en carga radial y carga axial, y su dirección y relación varían dependiendo del tipo de engranaje. En el caso del engranaje plano más sencillo, la dirección de la carga es radial solamente y se obtiene mediante la fórmula siguiente.

Carga media. La carga media Fm que se convierte para aplicar duración uniforme a cada rodamiento puede utilizarse en el caso de que la carga que actúa sobre el rodamiento sea inestable y cambie en varios ciclo.

Clasificación de las fallas de los rodamientos de acuerdo a la ISO. Los rodamientos son el corazón de la maquinaria rotativa por lo que su confiabilidad es la mayoría de las ocasiones crítica para la operación de los equipos y plantas. El costo de un rodamiento es muy pequeño comparado con el costo de remplazó y la potencial perdida de producción causada por su falla. El objetivo principal de esta ponencia es el de dar a conocer al detalle la norma ISO15243, la cual describe el modo de falla que puede tener un rodamiento, ¿Qué es lo que podemos hacer entonces para asegurar la confiabilidad operacional de nuestros equipos a través de los rodamientos?, el vocabulario correcto para distinguir los modos de falla del rodamientos así como sus características principales, del universo de rodamientos que han fallado prematuramente las causas principales son: lubricación, montaje, sobre carga y contaminación, cada uno de estas causas dejaran una marca especifica en el rodamientos.

Los rodamientos la clasificación de los posibles modos de fallo según la normativa ISO 15243:2004 se basa en aspectos visibles en las superficies de contacto o en otras superficies funcionales Así mismo esta normativa distingue entre dos tipos de “patologías” asociadas a la fatiga de Contacto en rodamientos que son: 1. 2.

Picaduras por iniciación de grieta subsuperficial. Picaduras por iniciación de grieta superficial.

Fallas de los engranes de acuerdo a la norma iso. ANSI / AGMA 1010-E95 (R2004). Esta norma establece la nomenclatura de los modos generales de desgaste de los dientes de engranajes y el fracaso. Clasifica, identifica y describe los tipos más comunes de insuficiencia y proporciona información que, en muchos casos, que el usuario pueda identificar modos de falla y evaluar el grado o la progresión de desgaste. Sustituye ANSI / AGMA 110.04. 

La norma ANSI/AGMA 1010-E95 agrupa los principales modos de fallas en engranajes, en siete clases generales: Desgaste, Agarramiento, Deformación plástica, Fatiga por contacto, Agrietamiento, Rotura y Fatiga por flexión.

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Los dos modos de fallas más frecuentes en las transmisiones por engranajes y a cuya resistencia suelen ser verificados según los principales criterios de diseño, establecidos, incluso en las normas ISO 6336, son la fatiga por contacto y la fatiga por flexión.

Fallas de fatiga por contacto. . La falla de fatiga por contacto o picadura de las superficies útiles de los dientes es la causa principal que inutiliza las transmisiones por engranaje que trabajan con abundante lubricación. La fatiga superficial puede ser advertida por la remoción de metal y la formación de Cavidades. 1.

Estas pueden ser pequeñas (0,38÷0,76 mm) o grandes (2÷5 mm) y pueden crecer o quedarse del mismo tamaño.

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En las transmisiones abiertas, donde la lubricación es limitada, la picadura se observa muy raramente, pues la capa superficial, en la cual se producen las grietas iníciales, se desgasta antes de que tenga lugar el proceso de rotura por fatiga.

La resistencia a la picadura se puede elevar, mejorando las propiedades mecánicas de la superficie del diente, aumentando los radios de curvatura de los perfiles de los mismos en la zona de contacto y eligiendo correctamente el lubricante.

Fallas de fatiga por flexión 

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La Falla de fatiga por flexión, consiste en una fractura total del, o de una parte considerable de este, motivada por la acción de tensiones cíclicas que exceden el límite de resistencia del material.

La rotura por Flexión comienza con una grieta en la sección de la raíz y progresa hasta que el diente o parte de este, se rompe. Concentradores de tensión, tales como escalones o entalladuras en la raíz del diente, inclusiones no metálicas, pequeñas grietas provocadas por el tratamiento térmico, desgarraduras o huellas dejadas por las herramientas de corte, pueden condicionar la aparición de esta falla.

La resistencia de los dientes a la rotura se puede elevar, haciendo más firme la base del diente y disminuyendo la concentración de tensiones en torno a esta base, mediante el aumento de la curva de transición, un acabado minucioso de la superficie, la elevación de la rigidez de la transmisión, de la exactitud de fabricación y de las propiedades mecánicas del material de las ruedas.

Fallas y clasificación de las levas. Ya que el árbol de levas tiene que estar sometido a altas revoluciones y tiene que someterse a grandes cargas de fuerza los cuales origina las siguientes fallas: 

Desgaste de las levas.

El desgaste se presenta mayormente en la nariz reduciendo gradualmente la altura del levantamiento que absorbe la puntería para lograr la inducción de la mezcla aire combustible y desalojo de los gases de combustión. Si el desgaste se presenta en los flancos o rampas, el funcionamiento de la válvula será brusco y ruidoso causando que la puntería (buzo) trabaje sin acción hidráulica provocando bajo rendimiento en el motor.

Estos desgastes varían la sincronización de los tiempos de apertura de las válvulas de admisión y escape, produciendo de esta forma combustiones imperfectas que afectan a la potencia del motor, lo cual a su vez generan contaminación ambiental.

Ruptura del eje de levas. Para este punto vamos analizar las posibles causas que podría ocurrir la ruptura del eje de levas. •

Falta de lubricación : ya que el lubricante también se utiliza como refrigerante, y al no existir o existir poco aceite, la pieza se sobrecalienta y tiende a romperse.

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Mal proceso de fabricación: en las empresas que construyen piezas para el automóvil, utilizan mal o de modo incorrecto los materiales e incluso la técnica de fabricación, y muchas veces la pieza no adquiere la dureza necesaria, y como párrafos anteriores citamos, el eje de levas está sometido a altas revoluciones y tiene que someterse a grandes fuerzas, y si la pieza no tiene la dureza correspondiente, llegara a fracturarse o romperse.

Encorvamiento de las levas. Ajuste incorrecto de la bancada: En los motores SOHC o DOHC, tenemos un problema al montar el eje de levas, ya que el ajuste es casi similar al dela culata (de adentro hacia afuera), cuando realizamos un mal ajuste deleje de levas, este tiende a arquearse, capaz no lo podremos a ver simple vista por lo que es necesario utilizar instrumentos de medición. Cuando el eje de levas esta arqueado, va a ocurrir malas combustiones en uno o varios cilindros, ya que en la parte arqueada el levante se va a reducir, por lo que va a generar una menor apertura en la válvula de admisión y escape.

Fallas de cojinetes y superficie de contacto Cojinetes, Elemento que soporta o sobre el cual se mueve el otro elemento, el cual puede ser un gorrón, un collar de empuje, zapatas, etc. Tipos de cojinetes  •Según el tipo de rozamiento  Cojinetes de fricción o de deslizamiento de casquillo completo o buje, de casquillo partido.  Cojinetes de antifricción o de rodadura.

Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina.

De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas (deslizamiento o rodadura), el cojinete puede ser un cojinete de deslizamiento o un rodamiento respectivamente, Cojinete de rodadura. Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento . 

Dependiendo de su función y de las cargas aplicadas, los elementos de rodadura pueden ser: bolas, rodillos cilíndricos, rodillos cónicos, o rodillos cilíndrico-esféricos.

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El cojinete de deslizamiento es junto al rodamiento un tipo de cojinete usado en ingeniería.

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En un cojinete de deslizamiento dos casquillos tienen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la menor posible.

Los cojinetes de deslizamiento son ampliamente utilizados en una gran variedad de procesos, debido a esto pueden fallar de diferentes maneras como los es por desgaste, ludimiento entre otros.

Fallas de cojinetes. Fallas En Cojinetes De Deslizamiento. En el caso de los cojinetes de deslizamiento, las consideraciones para el estudio de fallas se extienden, no solo al elemento propiamente dicho, sino también a los componentes que lo acompañan. Un cojinete de deslizamiento representa siempre solo una parte de un sistema tribológico; solo se puede lograr la necesaria seguridad de funcionamiento si los otros dos componentes del sistema – el eje y el lubricante- cumplen los requisitos que se les exige.

Suciedad en el circuito de lubricación. La presencia de partículas de suciedad en el circuito de lubricación es una de las causas más frecuentes de daño de los cojinetes. Su origen suele estar en una limpieza insuficiente del motor. En función de la naturaleza y el tamaño de las partículas de suciedad, el cojinete presenta rayas circunferenciales de mayor o menor entidad, normalmente acompañadas de restos del material contaminante que han quedado incrustados en su superficie. Suciedad en el respaldo del cojinete. La presencia de una partícula atrapada entre el respaldo del cojinete y su alojamiento provoca una zona levantada con riesgo de interferir con el eje. Esto tiene su reflejo en la zona opuesta a la partícula, en la superficie interior del cojinete, que presenta un fuerte desgaste localizado. Recomendación: Limpiar cuidadosamente los alojamientos donde se van a asentar los cojinetes, antes de montar los mismos. Fallo en el circuito de lubricación. La ausencia total de lubricación del sistema eje-cojinete conduce al gripado del cojinete, normalmente con la destrucción total de la pieza. No obstante, es más frecuente el fallo por lubricación insuficiente, en el que la cantidad de lubricante que llega al sistema ejecojinete no permite mantener la película de aceite y se produce el contacto entre las dos piezas.

Recomendación: Debe verificarse cuidadosamente el circuito de lubricación para encontrar la causa del fallo, que puede ser un conducto de lubricación obstruido, un cojinete mal posicionado, fallo en el funcionamiento de la bomba, etc. Errores de montaje. Cuando por error se coloca un cojinete sin taladro en una posición en la que debería llevarlo, por ejemplo, intercambiando la posición superior e inferior de una pareja de semicojinetes de bancada, se anula completamente la entrada de lubricante a ese apoyo. En consecuencia, también se anula la lubricación a la muñequilla a través de estos taladros, resultando el gripado del cojinete afectado. Se puede observar en el dorso del cojinete que el orificio de lubricación ha sido obturado. Errores de mecanizado de los componentes . Si el rectificado del alojamiento es defectuoso por vibraciones de la máquina o por alguna otra causa que origine un error de redondez acusado, el cojinete copia el defecto de forma de su alojamiento. Presentará franjas de fuerte desgaste alternando con franjas de aspecto normal. Este defecto puede derivar en fatiga de la aleación.

Sobrecarga Cuando las condiciones de funcionamiento provocan una carga excesiva sobre los cojinetes, se produce el daño por fatiga del material. La rotura se inicia perpendicular a la superficie del cojinete y progresa en otras direcciones, originando el desprendimiento de pequeños trozos de aleación. Corrosión Un aceite en mal estado puede dañar la superficie del cojinete. Este efecto es debido a la dilución del plomo de la aleación por parte de algunos compuestos formados en el aceite deteriorado.

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Vibración excesiva. Diseño no apropiado del cojinete o del muñón del eje. Contaminación del aceite con gases o presión inadecuada. Aceite no apropiado o con tendencia a formar espuma

Fatiga Superficial: Se caracteriza por grietas y pérdida de material de la superficie de los cojinetes, generando el denominado picado. Está asociada a la presencia de cargas mecánicas o térmicas cíclicas sobre estos elementos, algunas de sus causas son: -Cargas cíclicas anormales por desalineamiento, excentricidad, desbalanceo, ciclado térmico o vibración.  Cargas alternantes severas en máquinas reciprocantes. Sobrecarga o sobre velocidad.  Temperatura de trabajo elevada (insuficiente lubricación).  Periodo muy largo de cambio de los cojinetes. Desgaste Adhesivo: Presenta barrido del material en la dirección de deslizamiento y/o decoloración por pérdida del mismo, debido a contacto íntimo entre el cojinete y el eje. 1. 2. 3. 4.

Arranques fríos que generan bajo flujo de aceite por alta viscosidad. Bajo caudal y/o presión de aceite por obstrucción o fugas. Baja viscosidad por aceite inapropiado o alta temperatura. Cargas severas que generen contacto de eje y cojinete.

Ludimiento: Consiste en la acumulación de depósitos en la superficie de apoyo del cojinete, producto de desgaste y/o oxidación del mismo asociado a pequeños desplazamientos cíclicos de éste respecto al asentamiento, algunas causas son:  Estado vibratorio severo en la máquina.  Juego excesivo entre el cojinete y su alojamiento.  Mal montaje. Giro y Deformación: Se presenta desgaste adhesivo y/o deformación en la cara de asentamiento del cojinete, por giro o desplazamiento axial del mismo respecto a su posición normal, algunas causas son:  Excesiva carga sobre los cojinetes.  Lubricante inadecuado o deficiencias del sistema de lubricación.  Luego excesivo entre cojinete y asentamiento o mal montaje  Ausencia de pestañas o arandelas de fijación en los cojinetes, o fuerza de apriete insuficiente entre cojinete y asentamiento.  Consecuencia del desgaste adhesivo severo.

Fallas en la cadena. Una cadena de transmisión sirve para transmitir del movimiento de arrastre de fuerza entre ruedas dentadas. Efecto de la pre carga La pre-carga asegura que todos los componentes son correctamente montados, reduce los ajustes iniciales en funcionamiento y minimiza la elongación de la cadena. Desgaste de cadenas.  

La elongación del paso es el aumento del largo de la cadena debido al desgaste. El desgaste normalmente ocurre en las áreas de contacto de pasadores y bujes.

El alargamiento de la cadena depende de:  Área de contacto entre perno y buje.  Dureza de perno y buje.  Frecuencia y grado de contacto.  Medioambiente  Lubricación  Nivel de vibración  La elongación puede ser reducida si:  Se reduce la tensión.  Se selecciona una cadena de mayor tamaño, o múltiples hileras.  Se incrementa la dureza de pernos y bujes.  Se incrementa el tamaño del piñón resultando en un ángulo de flexión más pequeño.  Se mejora la lubricación. 

Se reemplazan los piñones cuando se reemplaza la cadena.

Medición del desgaste de una Cadena. El desgaste de una cadena no debería exceder entre un 2-3% de la longitud estándar de la cadena. 1. Tire la cadena ligeramente hasta que se encuentre tensa. 2. Utilizando un calibre, medir la distancia interna (L1) y externa (L2) de los rodillos entre los puntos de medición de la cadena.

Inspección. Es recomendado que las rutinas de inspección sean llevadas a cabo para medir el desgaste en la cadena. Si el alargamiento es mayor a 2-3% la cadena debe ser reemplazada. Con el sistema desmontado, chequee:       

Componentes dañados o deformados, especialmente los Con el sistema montado, chequee: Ruidos. Nivel de vibración extremos de los pernos, las superficies de los rodillos, y los extremos de las placas. Juego entre placa y perno. Contaminación. Marcas en la superficie de los dientes del piñón.

Modos de fallas.

Síntomas: 1. Vibración excesiva 2. Ruido inusual o excesivo 3. Cadena rígida 4. Batido de cadena 5. Cadena trabajando caliente 6. La cadena se monta al piñón 7. La cadena se aferra al piñón 8. Oxidación 9. Excesivo desgaste de cadenas y piñones

Procedimiento para calcular el nivel de degsate El desgaste se ha subdividido tomando como referencia el mecanismo predominante. Siguiendo un autor cualquiera la clasificación de tipos de desgaste sería abrasión, adhesión, erosión, desgaste micro-oscilatorio (fretting), desgaste químico, etc. Es bien conocida la no coincidencia de los resultados experimentales con los teóricos y la gran dispersión de los resultados experimentales, según las relaciones empíricas expuestas por renombrados científicos de la talla de Tabor, Boden, Archard, etc. Para explicar la dinámica del desgaste existe un modelo cualitativo realizado por Horst Czichos. Se basa en la curva típica del desgaste de metales en función del tiempo, la cual divide en 3 zonas.

Ocurre al ponerse en contacto por primera vez dos superficies en movimiento relativo. Alta velocidad del desgaste, en este período el contacto se produce en los picos más altos de la rugosidad de las superficies en contacto, generando altas presiones y de formaciones. Con el tiempo el área real de contacto aumenta, así disminuye la velocidad de desgaste.

Período de desgaste normal. Zona II. Estado cuasiestacionario que se caracteriza porque la pérdida por desgaste en la unidad de tiempo, permanece constante.

Período de desgaste catastrófico. Zona III. Se generan grandes cargas dinámicas, aumenta la temperatura, el nivel de ruido y de las vibraciones. El sistema va directo a la rotura .

El desgaste es un fenómeno de las superficies en contacto, sin embargo, los cambios más importantes que ocurren en los materiales, que lo llevan a la falla catastrófica, se generan bajo la superficie, en un pequeño volumen. En esta capa se van acumulando cambios, asociados a movimientos cíclicos que ocurren a escala superficial y que facilitan la formación y desarrollo de grietas, provocando pérdidas de material al salir a la superficie. Inicialmente, todo el volumen posee las mismas características, (mecánicas, térmicas, etc.). Las superficies de los materiales interactúan entre si y con el entorno, esto hace que se modifique la topología, por tanto variará la forma en que se distribuye superficialmente la masa. Puede haber remoción o acomodamiento.

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Donde f(m) representa la distribución de masa de cada cuerpo y g(m) caracteriza la pérdida que sufren los cuerpos, es decir, la formación de partículas de desgaste.

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ξ: magnitudes asociadas a los cuerpos (rugosidad, dureza, coeficiente de fricción, tipo de material (módulo de Young), carga, velocidad de deslizamiento, etc.)

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δ: magnitudes asociadas al entorno (temperatura, humedad relativa, contaminantes (lubricación, agresividad del medio), etc.)

La tasa de desgaste es muy susceptible si se cambian algunos de estos parámetros. Pequeños cambios en las condiciones del entorno de un material en uso puede conllevar a cambios drásticos en la intensidad del desgaste e incluso a un salto brusco en la dinámica del fenómeno. Se dice entonces que el sistema sufrió una bifurcación, rasgo distintivo de un sistema que transita del orden al caos .