Unidad 3 Tratamientos Térmicos - Departamento de Ingeniería de

Transcripción

Unidad 3
Tratamientos Térmicos
1.-OBJETIVOS
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Se pretende dar al alumno una visión práctica de lo estudiado en teoría, con la experimentación en
el laboratorio, familiarizándose con los equipos y conceptos siguientes:
Termopares
Crisoles
Hornos
Termostatos
Dilatómetros
Durómetros
Solidificación
Alotropía
Relación de estructuras con las propiedades mecánicas.
Recristalización
Fusión
Conocer la incidencia del fenómeno de alotropía en las aleaciones que poseen dicha propiedad,
tanto en el diseño de piezas (por los cambios dimensionales) como en las propiedades mecánicas,
eléctricas, magnéticas etc., que dependen de la estructura.
Tomar contacto con los equipos, familiarizarse con los términos más comunes utilizados en los
tratamientos térmicos y relacionar los cambios estructurales que teóricamente se producen con los
cambios en las propiedades mecánicas.
Interpretar los gráficos de templabilidad obtenidos en los ensayos sobre las piezas, y su aplicación
práctica.
2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS.
2.1.- CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE UN METAL PURO.
Siguiendo un esquema lógico, comenzaremos por lo que sería el origen de un material
tecnológico originado por la solidificación, lo que podríamos denominar cristalización primaria.
El caso más sencillo y el análisis más simple consiste en construir una curva de enfriamiento de
un metal puro, con el objetivo de determinar su punto de fusión.
Si un metal puro se calienta regular y uniformemente desde la temperatura ambiente hasta que
pasa al estado líquido (suponiendo que en el estado sólido no sufre cambios alotrópicos) y se anota, a
intervalos iguales de tiempo, la temperatura determinada mediante un termopar u otro instrumento de
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MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS
medida, se percibe una irregularidad en la velocidad de calentamiento que indica la temperatura a la que
se produce la fusión (figura 1).
Figura 1. Curvas idealizadas de enfriamiento y calentamiento de un metal puro.
El punto de transformación puede observarse gráficamente si se representa la temperatura en
función del tiempo. En forma análoga se obtiene una curva de enfriamiento desde la temperatura a la
que se encontraba el líquido, hasta la temperatura ambiente.
En el caso ideal, la temperatura del metal habría de permanecer constante durante los procesos de
fusión y solidificación, por lo que las porciones AB y A´B´ de las curvas de calentamiento y
enfriamiento deberían ser perfectamente rectilíneas y paralelas al eje de tiempos. En las curvas ideales,
además, el cambio de pendiente sería discontinuo en lugar de gradual.
Durante el enfriamiento del metal fundido, se establece un gradiente de temperatura entre el crisol y
las paredes del horno. En consecuencia, la capa que primero solidifica es la que está en contacto con las
paredes del crisol y esta capa isoterma disminuye el gradiente de temperatura entre el centro y la capa
externa de la carga. Por esta causa, decrece la velocidad a que se enfría el centro de la masa del metal y
se redondea la curva de enfriamiento.
Cuando solidifica el centro de la carga, la temperatura de la capa externa de metal cae rápidamente,
aumentando su gradiente con respecto al centro, acelerándose la solidificación de las últimas porciones
de metal líquido y volviendo a redondearse la curva de enfriamiento.
De la anterior discusión se obtiene la consecuencia de que la última porción de la meseta de la
curva de calentamiento y la primera de la de enfriamiento corresponden, en efecto, a los puntos de
fusión y solidificación, respectivamente. Cuando la pendiente es muy grande, la verdadera temperatura
de solidificación se puede obtener extrapolando la porción más rectilínea y horizontal de la curva de
enfriamiento mediante una línea recta y observando cuándo esta línea se separa de la curva original. De
manera análoga se puede obtener el punto de fusión en la curva de calentamiento.
En general, las curvas de enfriamiento resultan mejor definidas que las de calentamiento, si además
ponderamos la mejor manipulación de los equipos y la accesibilidad del alumno a la observación directa
del crisol, que contiene el metal fundido, hace que la representación de la curva de enfriamiento sea la
más práctica para determinar los cambios de estado, entre ellos el punto de fusión.
2.2.- DETERMINACIÓN DE PUNTOS CRÍTICOS DE UN ACERO EUTECTOIDE.
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los puntos críticos en los metales y aleaciones en estado sólido son las temperaturas a las que se
producen las transformaciones alotrópicas. Se determinan principalmente por dos métodos: el método
dilatométrico y el de análisis térmico.
El método más empleado es el dilatométrico pero en general, se procura emplear todos los
métodos posibles para la determinación de cada diagrama de equilibrio, asegurándose que los puntos no
han sido influidos por ninguna circunstancia anormal.
Se basa este método en el estudio de la variación de volumen que experimenta una probeta de la
aleación objeto de estudio. Cuando en el calentamiento y en el enfriamiento la probeta pasa por un
punto crítico, hay un cambio de volumen específico, y la dilatación se pone de manifiesto por un
sistema que depende del aparato empleado.
2.2.1.- Descripción del Dilatómetro.
Este dilatómetro consta de un tubo o funda de cuarzo en cuyo interior se coloca una barra de la
aleación problema en contacto con el par termoeléctrico de un pirómetro, para conocer en todo
momento su temperatura. La barra está apoyada por un extremo en el fondo de la funda de cuarzo, y por
otro, a través de una pequeña barra, también de cuarzo, en la pieza móvil de un comparador de esfera.
Se aumenta la temperatura de la probeta introduciendo el tubo de cuarzo en un horno de temperatura
regulable a voluntad, midiendo la dilatación de la probeta con las indicaciones del comparador.
Figura 3. Dilatómetro con indicador de cuadrante.
El aparato más utilizado en el método dilatométrico es el dilatómetro diferencial de Chevenard.
Este aparato está basado en el registro de las diferencias de dilatación entre una probeta patrón y la del
metal que se ensaya. Pero en nuestro caso vamos a utilizar por su sencillez y posibilidades didácticas el
ya citado de indicador de cuadrante, cuyo esquema se refleja en la figura 3.
2.3.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS.
Los tratamientos térmicos, en general, son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los
metales o aleaciones, a temperaturas y velocidades variables, mediante los cuales se persigue
fundamentalmente, conseguir cambios en la estructura cristalina, cambio de fases, bien en su número o
proporción, o distribución, permaneciendo su naturaleza, es decir, su composición química inalterable.
En los experimentos que a continuación se describen, vamos a aplicar estos tratamientos sobre
un acero, que es un material “tratable por excelencia”, por la riqueza e interés de las transformaciones
que experimentan sus constituyentes.
Los tratamientos térmicos fundamentales como son el recocido, temple y revenido, adquieren
al ser aplicados a los aceros, una gran variedad de matices lo que permite obtener el máximo
rendimiento en función de su aplicación al acero.
Los tratamientos térmicos aplicados a los aceros son los siguientes:
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NORMALIZADO
Recocidos Supercríticos
De austenización completa. Recocido de regeneración.
De austenización incompleta. Recocido globular de austenización incompleta.
RECOCIDOS
Recocidos subcríticos
Recocido globular.
Recocido de ablandamiento.
Recocido contra acritud.
Recocido de estabilización.
Recocidos isotérmicos
Recocidos de austenización completa.
Recocido de austenización incompleta.
Recocido patenting (hilo patentado)
Temples normales
De austenización completa.
De austenización incompleta.
TEMPLES
Temples interrumpidos
En agua y aceite.
En agua y aire.
Temples isotérmicos
Austempering
Martempering.
Temples superficiales
Oxiacetilénico.
Por inducción
REVENIDO
Tabla 1. Tratamientos Térmicos en Aceros.
De los tratamientos citados, vamos a realizar en el laboratorio experimentos sobre el temple y
revenido, incidiendo en su importancia y en los conceptos de capacidad de temple y templabilidad. Así
mismo se realizará un normalizado. Es de resaltar que la práctica sobre recocido no se realiza por el
periodo de tiempo necesario que la hace inviable por el tiempo limitado de que se dispone para la
realización de las prácticas.
2.3.1.- Definiciones relacionadas con tratamientos térmicos en aceros.
Se define templabilidad como la aptitud de los aceros para dejarse penetrar por el temple. Esta
propiedad tiene un significado totalmente distinto de la capacidad de temple, reflejando esta última la
capacidad de un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante el temple.
En consecuencia, si tuviéramos un acero al cromo-níquel y un acero al carbono, detectaríamos que
en el primero penetra mucho más el temple que en el segundo, y podríamos decir que la templabilidad
de los aceros al carbono es menor que la de los aceros al cromo-níquel.
Por tanto, la templabilidad se refiere únicamente a la facilidad de penetración por el temple y no a
las características obtenidas por él.
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Volviendo al ejemplo anterior, podríamos comprobar que un acero con 0,6% de carbono, al
templarlo, adquiere una dureza superior a la del acero al cromo-níquel, lo que equivale a decir que tiene
una mayor capacidad de temple. Sin embargo, la templabilidad del acero al cromo-níquel, es mucho
mayor que la del acero al carbono, según vimos anteriormente.
2.3.2.- Factores que Influyen en la Templabilidad.
Influyen en la templabilidad principalmente los elementos aleados y el tamaño de grano.
Los elementos que más favorecen la penetración del temple, es decir, la templabilidad, son el
manganeso, molibdeno y el cromo. Por otra parte, un aumento en el tamaño de grano produce un
aumento de la templabilidad.
Estos dos factores reflejan su influencia en las gráficas representadas en las figuras 4 y 5.
Figura 4. Influencia de los elementos aleados
en la templabilidad del acero.
Figura 5. Influencia del tamaño de grano y del
contenido de carbono en la templabilidad del acero.
2.4.- MEDIDA DE LA TEMPLABILIDAD.
Siendo la templabilidad una característica importante en la elección de los aceros, sobre todo para la
fabricación de piezas grandes, se ha trabajado mucho en su determinación y valoración.
La determinación de la templabilidad puede hacerse por el examen de las fracturas de probetas
templadas, por medio de las curvas en U y más exactamente por el diámetro crítico ideal o por el
ensayo Jominy, que es el que vamos a llevar a cabo.
Para aceros de baja templabilidad se emplea una probeta de forma especial, que se coloca a 25 mm
del orificio de salida del agua, debiendo ser la altura del chorro libre de 100 mm.
Las curvas Jominy no sólo dan idea a primera vista de la templabilidad del acero por su mayor o
menor pendiente, sino que los valores de las durezas a lo largo de la generatriz constituyen una
verdadera medida de la templabilidad, ya que obtenidas en condiciones de temple idénticas, sólo
dependen de las características del acero ensayado.
2.4.1.- Bandas de Templabilidad.
La S.A.E. (Society of Automotive Engineers) y la A.I.S.I. (American Iron & Steel Institute) han
fijado para los aceros aleados de construcción las curvas de máxima y mínima templabilidad, entre las
cuales deben estar situadas las curvas de máxima y mínima templabilidad, entre las que deben
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encontrarse las curvas Jominy de cada acero. Estas bandas de templabilidad están sustituyendo en las
especificaciones de recepción a los análisis de composición química.
La denominación normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H
(Hardenability).
Como las características que más interesan en muchos aceros son sus propiedades después del
temple y su templabilidad, en EE.UU. se utilizan las bandas de templabilidad para la recepción de los
aceros de los que se obtienen probetas para realizar el ensayo Jominy, sustituyendo así a los análisis
químicos, ya que la composición por sí sola no da idea de las características que pudiéramos denominar
funcionales del acero.
Figura 6. Bandas de templabilidad.
Tras la obtención de la curva Jominy y la capacidad de temple del acero, se ejercitará al alumno
sobre unas hipotéticas curvas Jominy, a elegir distintos aceros en función de los espesores exigidos para
la construcción de unas determinadas piezas, haciendo hincapié en la diferencia entre máxima dureza o
capacidad de temple y la templabilidad.
2.5.- POSIBLES ANOMALÍAS Y DEFECTOS EN LAS PIEZAS TRATADAS.
Falta de dureza. Posiblemente motivada por una descarburación superficial, por falta de velocidad de
enfriamiento o una austenización incompleta.
Grietas. Posiblemente motivadas por una velocidad de calentamiento incorrecta o una velocidad de
enfriamiento excesiva.
Irregularidad en los puntos de dureza del ensayo Jominy. Motivadas posiblemente por salpicaduras de
agua, descarburación, y a veces es posible la detección de mayor dureza en el punto de apoyo (extremo
opuesto al chorro del agua) que en puntos próximos. Esto está motivado por enfriamiento más rápido
por conducción o a través del soporte metálico si no está colocada la arandela aislante.
2.6.- OBSERVACIONES ADICIONALES.
Con una lima nueva, se le hace al alumno arrancar material de las piezas tratadas, haciéndole ver
que puede ser una medida práctica y sólo cualitativa del estado de dureza de la probeta, pues sabiendo la
dureza de la lima, se puede deducir la dificultad de mecanizado del acero en cuestión y que llegue un
momento en que la lima “no entra en el material” a partir de cierta dureza.
3.- ACTIVIDADES DE APLICACIÓN.
Se proponen para este apartado los ejercicios del capítulo 4 de Ejercicios de Autoevaluación.
4.- ACTIVIDADES PRÁCTICAS..
4.1- PRÁCTICA DE DETERMINACIÓN DE PUNTOS CRÍTICOS
El material necesario para el desarrollo de la práctica es el siguiente:
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Horno de mufla con termostato
Crisol de 500 c.c. de capacidad. (Alúmina o carborundum)
Termopar hasta 1200 ºC con sonda cilíndrica
Plomo puro (99,99%)
Cronómetro
Lupa binocular
⇐ Se toma una cantidad de Plomo suficiente para que una vez fundido alcance en el crisol una altura
de unos 5 a 7 cm.
⇐ Se introduce a continuación el crisol con el Pb sólido en un horno de mufla con termostato de
regulación a 450 ºC. Transcurrido el tiempo suficiente se extrae el crisol de horno con el Pb líquido y
con las medidas de seguridad pertinentes para evitar accidentes por salpicaduras con el consiguiente
peligro de quemado y se lleva hasta un soporte cerámico.
⇐ Con la ayuda de un cronómetro y con un termopar de lectura digital con sonda de inmersión, se van
tomando temperaturas a intervalos de 10 segundos.
⇐ Se irá observando una bajada gradual de temperatura en función del tiempo hasta alcanzar un
pequeño subenfriamiento en que la temperatura se mantiene constante. Repitiendo la toma de
temperatura en varios intervalos, se hace notar cómo en las paredes del crisol empieza la solidificación
de la masa (núcleos de solidificación) y cómo el sólido progresa hasta el centro del crisol.
⇐ Antes de que la masa metálica esté toda sólida se extrae la sonda del termopar por dos razones, una
obvia que sería que quedaría atrapada en el sólido, y otra que es debido a que como lo que realmente se
pretendía era detectar el punto de fusión y esto se ha conseguido, entonces no es necesario llegar al final
de la curva teórica que representa la figura 7, pues el intervalo entre t1 y t2 es variable. ese intervalo de
tiempo entre t1 y t2 es la duración de la solidificación, o lo que es lo mismo, de coexistencia entre las
dos fases líquida y sólida y que va a depender de factores externos como la cantidad de masa, velocidad
de enfriamiento y factores intrínsecos del material, como son el calor latente de solidificación o fusión.
t1
t2
Figura 7. Curva de solidificación de un metal puro.
⇐ Una vez construida la gráfica resultante donde las temperaturas aparecen en el eje de ordenadas de
un sistema cartesiano y los tiempos en el eje de abscisas, se hace resaltar que en la meseta de la
isoterma, al haber dos fases (metal líquido y sólido) en la aplicación de la ley de Gibbs, se justifica que
es un sistema invariante, indicando que el punto de fusión de un metal puro es fijo e invariante.
⇐ Finalizado este análisis, se ha de incidir en la observación de la masa sólida. En esta observación se
aprecia una concavidad, normalmente en el centro del crisol, denominado cono de rechupe. La
importancia de este fenómeno, motivada por la diferencia de densidad (y por tanto de volumen) entre el
metal sólido y líquido, en la industria hace que si efectivamente todos los metales (a excepción del Sb)
ocupan menos volumen en estado sólido que como líquido, sea obligado el paliar el efecto del rechupe,
pues de no evitarlo, se producen pérdidas importantes de material en los despuntes, pérdidas de energía
empleada en fundir una masa no utilizable y riesgo de que el rechupe quede ocluido con el consiguiente
peligro de que aparezca en una pieza terminada con la pérdida de calidad que conlleva.
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⇐ Por otra parte, y con la ayuda de la lupa binocular (estereoscopio), es frecuente observar en las
paredes del cono de rechupe dendritas, fácilmente detectables la mayoría de las veces por la
solidificación columnar desde la periferia hasta el centro del crisol.
⇐ Contrastar la temperatura de solidificación obtenida con la teórica del Pb.
Se han resaltado las precauciones para evitar salpicaduras. También hay que asegurarse que en el
transporte del crisol no haya riesgo de derrame. Por último, dado que el experimento se realiza sobre Pb
a alta temperatura, se efectuará la toma de datos en una campana extractora para evitar los vapores
perniciosos. No se tocará el crisol con la mano hasta que se tenga la completa seguridad de que esté frío.
4.2.- PRÁCTICA PUNTOS CRÍTICOS EN UN ACERO EUTECTOIDE.
La importancia del trazado y estudio de la curva dilatométrica se debe a que la instalación sufrirá
los rigores del aumento y descenso de temperatura suministrada por el horno eléctrico de que dispone la
instalación.
El ensayo se realiza de la siguiente forma:
⇐ Se introduce la probeta de acero dentro de un recipiente de vidrio pyrex translúcido. Este recipiente
se introduce dentro del horno.
⇐ Una vez dentro del horno, se introduce el tubo de cuarzo que contiene el termopar, al tiempo que se
ajusta el reloj comparador.
⇐ Después de ajustar y montar todos los elementos antes mencionados, se conecta el horno y
comienza la toma de lecturas.
⇐ Las lecturas de micrómetro que muestra la dilatación de la probeta se realizan cada 20 ºC de
aumento de temperatura.
⇐ Con los resultados obtenidos se construye una gráfica, donde, en abscisas, se indican los
incrementos de temperatura, y en ordenadas, los tantos por ciento de dilatación referidos a la probeta.
⇐ La construcción de la gráfica se realizará con dos curvas correspondientes, respectivamente, a los
resultados obtenidos al incrementar la temperatura de la probeta y a su enfriamiento.
Colocar la pieza totalmente vertical y en contacto firme con el micrómetro y el extremo del
termopar y hacerlo con cuidado de no golpear la base del tubo de cuarzo.
Dejar enfriar el horno entre medida y medida.
Calibrar el termopar frecuentemente.
No retirar la muestra hasta que baje la temperatura, y extraerla con precauciones del tubo de ensayo.
Figura 8. Curva de dilatación de calentamiento y contracción en el enfriamiento, acero del 1% de C.
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4.3.- PRÁCTICA DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS
El material necesario para desarrollar la práctica es el siguiente:
Horno de mufla, con control automático de temperatura y programable.
Pinzas largas para introducción y extracción de las muestras del horno.
Guantes aislantes.
Instalación para ensayo Jominy.
Durómetro Rockwell.
Calibre o regla graduada.
Lima.
Lijadora y pulidora.
Microscopio metalográfico o lupa binocular.
Virutas de fundición.
Cuatro trozos de redondo de acero de 25 mm de diámetro.
Probeta Jominy.
Recipiente con agua o aceite.
⇐ Una vez cortadas de un redondo las cuatro muestras y obtenida tras la mecanización oportuna la
probeta del acero elegido para el ensayo Jominy, (en nuestro caso utilizaremos F-1140, F-1250, F-522.
etc.), que debe coincidir con el adjudicado al grupo en otras prácticas, para que los alumnos puedan
relacionar todos los ensayos de características y propiedades sobre un mismo material.
⇐ Según el acero elegido, se programa el horno hasta la temperatura de austenización adecuada con
una secuencia de calentamiento de 1h/pulgada de espesor, y se dejan las muestras en la mufla el tiempo
también establecido de ½ h/pulgada de diámetro.
⇐ Transcurrido el tiempo establecido, y con las precauciones oportunas, se introducen tres probetas de
una en una en agua ó aceite, para realizar el temple, y otra se deja enfriar al aire calmado, realizando
pues sobre el material un normalizado.
⇐ Por tanto, disponemos de probetas en estados de recepción (se ignora si están tratadas), una con un
tratamiento de normalizado y tres que teóricamente están templadas. La forma más sencilla y rápida de
determinar una propiedad mecánica que a su vez esté directamente relacionada con las otras, es medir
su dureza y determinar su equivalencia con la resistencia que en los aceros al carbono está
perfectamente tabulada.
⇐ Midiendo pues la dureza por el método Rockwell “C” se obtienen los datos de dureza del acero con
los estados de tratamiento citado anteriormente.
⇐ La dureza media de las tres probetas templadas supuestamente de forma correcta, sería la que indica
su capacidad de temple o máxima dureza adquirida, pues es función de la riqueza de carbono del acero
en cuestión.
⇐ A continuación, una de las probetas templadas se introduce en la mufla a 350 ºC y otra a 550 ºC.
Transcurrida ½ hora, se deja enfriar al aire, y tendremos dos probetas templadas y revenidas a las
citadas temperaturas. Posteriormente se las somete a un ensayo de dureza, obteniendo los datos
oportunos.
⇐ Para facilitar al alumno la toma de datos y ayudarle a relacionar los datos y observar la evolución de
las estructuras y propiedades, se les adjunta una tabla para la toma de datos como la siguiente, que
sintetiza todo lo realizado en el ensayo:
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TIPO DE ACERO:
COMPOSICIÓN QUÍMICA:
ESTADO DE
ESTRUCTURA
TRATAMIENTO
METALOGRÁFICA
DUREZA
ROCKWELL “C”
RESISTENCIA
Kp/mm2
RECEPCIÓN
NORMALIZADO
TEMPLE
REVENIDO A 350º
REVENIDO A 550º
⇐ Sobre esta tabla, se hace al alumno observar la evolución de la dureza en función del tratamiento
térmico, y por tanto, su estructura metalográfica, que se ha de obtener en la observación microscópica
en la práctica correspondiente.
⇐ En paralelo, la probeta Jominy se lleva a enfriar en su correspondiente instalación para realizar el
ensayo que nos lleve a obtener su gráfica, siendo de vital importancia conocer y matizar este concepto
en los aceros.
Desconectar el horno de la tensión justo al introducir o extraer las muestras para evitar riesgos de
descarga eléctrica.
Asegurar la sujeción de las piezas con pinzas firmes.
Evitar salpicaduras en la introducción en el medio de enfriamiento. Si fuese aceite, hacerlo bajo una
campana extractora, por los gases desprendidos, con las precauciones oportunas por una hipotética
deflagración.
No tocar con las manos las muestras hasta que se tenga la seguridad de que están frías.
Asegurarse que la instalación para el ensayo Jominy está en condiciones (desagües desobstruidos,
tanque pulmón lleno, anillo refractario colocado en su soporte, etc.).
4.4.- PRÁCTICA DEL ENSAYO JOMINY
Este ensayo consiste en templar en determinadas condiciones, el extremo de una probeta cilíndrica.
⇐ La probeta más utilizada, que se considera normal, es una barra de 25 mm de diámetro y 100 mm de
longitud, que lleva en el extremo que no se templa un reborde de 3 x 3 mm, aunque también se utilizan
probetas totalmente cilíndricas, suspendidas en una arandela de acero refractario.
.
Figura 9. Probeta normal para ensayo Jominy.
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⇐ La temperatura de austenización será de unos 50 a 60 ºC por encima de Ac3 (temperatura del límite
inferior austenítico) o A1 (727ºC) según sea acero hipo o hipereutectoide, debiendo tomar precauciones
para evitar que se descarbure u oxide la probeta durante el calentamiento, colocándola por ejemplo,
rodeada de viruta de fundición. La probeta deberá mantenerse a esta temperatura durante unos 30
minutos, ya que la norma indica que la duración del temple debe ser de 1 hora por pulgada.
⇐ El enfriamiento se realiza en una instalación especial para este ensayo (figura 8), en la cual la
probeta recibe un chorro de agua a una temperatura comprendida entre 10 y 40 ºC, por un orificio de
12,5 mm de diámetro de salida de agua. El caudal de agua se regula de manera que la altura del chorro
sea de unos 65 mm cuando la probeta no está colocada encima de él (ésto puede conseguirse con un
depósito de nivel constante). La canalización debe disponer de otra válvula independiente para abrir y
cerrar con rapidez.
⇐ La probeta debe sacarse del horno y colocarse en el aparato enfriador lo más rápidamente posible,
manteniéndola sobre el chorro de agua durante 10 minutos, pasados los cuales se completa su
enfriamiento hasta la temperatura ambiente sumergiéndola en agua.
Figura 10. Aparato especial para el ensayo Jominy.
⇐
Terminado el ensayo se planean, con precaución de no calentarlas para evitar el revenido, dos
generatrices opuestas sobre la superficie del cilindro, rebajando de 0,4 a 0,5 mm.
⇐ A continuación, se determinan las durezas sobre la línea central de estos planos de puntos situados a
intervalos de 1/16” a partir del extremo templado. Los valores obtenidos se llevan a un gráfico donde en
ordenadas se representa la dureza Rockwell y en abscisas, la distancia al extremo templado.
Figura 11 Curva Jominy.
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5.- BIBLIOGRAFÍA
1.
2.
3.
4.
P. Coca y J. Rosique. Ciencia de Materiales. Teoría Ensayos y Tratamientos. Ed. Pirámide. 1992.
Capítulo 9 y 27.
J. Apraiz. Tratamientos Térmicos de Aceros. Ed. Dossat. Capítulo 6, 7 y 8.
J.Mª Lasheras y J.F. Carrasquilla. Ciencia de Materiales. Ed. Donostiarra. 1992. Capítulo 8 y 19.
J. Ojados. Apuntes de Aceros. 1995.
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Unidad 4
Ensayos Mecánicos
1.-OBJETIVOS
Al término de la unidad el alumno deberá ser capaz de:.
+
+
+
+
+
+
Entender e interpretar las gráficas tensión-incremento de longitud, obtenidas en los ensayos de
tracción.
Ser capaz de calcular los siguientes parámetros en un material a la vista de la gráfica tensiónalargamiento.
a) Módulo de Elasticidad.
b) Límite Elástico.
c) Resistencia a la Tracción.
d) Alargamiento a la Rotura.
e) Estricción a la Rotura.
Determinar la resiliencia de un material.
Interpretar las zonas de fractura del material y deducir los tipos de rotura.
Conocer los métodos de dureza más utilizados en la industria.
Conocer las equivalencias entre los distintos métodos de ensayos de dureza.
2.1.- INTRODUCCIÓN
Los ensayos mecánicos de materiales, también denominados ensayos destructivos, son
necesarios por muchas razones, siendo muy amplia la materia a que los mismos se refieren. Algunos de
los fines de los ensayos mecánicos de materiales son:
a.- Determinar la calidad de un material. Éste puede ser un aspecto del control del proceso en una
instalación de producción.
b.- Determinar propiedades tales como la resistencia, la dureza y la ductilidad.
c.- Estimar las posibilidades de rendimiento de un material en condiciones de servicio particulares.
Es obvio que no existe un tipo de ensayo que pueda proporcionar toda la información
necesaria sobre un material y sus posibilidades de actuación, existiendo diferentes tipos de ensayos
destinados a la valoración de los materiales. Además, hay muchos ensayos especiales destinados a
valorar alguna propiedad particular de un material, o a obtener información del comportamiento posible
de una pieza o conjunto, o ver la aptitud de un material frente a un proceso concreto de fabricación
(ensayos tecnológicos).
Se presenta una clasificación de los distintos Ensayos Mecánicos que podemos realizar sobre
materiales.
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ENSAYOS MECÁNICOS
ESTÁTICOS
DINÁMICOS
Tracción
TECNOLÓGICOS
Compresión
Plegado
Fatiga
Flexión
Cizalla
Punzonado
Charpy
Torsión
Embutición
Impacto
Izod
Dureza
Impacto-Tracción
Brinell
Vickers
Rockwell
Shore
Poldi
Knoop
2.2.- ENSAYOS DE TRACCIÓN EN MATERIALES.
El ensayo de tracción se utiliza para evaluar la resistencia de los materiales. El ensayo consiste
en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un esfuerzo axial de tracción
creciente hasta la rotura, en un corto intervalo de tiempo y a una velocidad constante.
Figura 1. Esfuerzo de tracción sobre una probeta.
Para la realización del ensayo se utiliza una Máquina Universal de Ensayos como se muestra
en la Figura. La capacidad de esta máquina varía según el material objeto de ensayo, por ejemplo, en
materiales de construcción, se utilizan máquinas con una capacidad alrededor de 500 KN; en materiales
metálicos, de 200 KN y en materiales poliméricos de 25 KN.
Figura 2. Esquema e imagen de una Máquina Universal de Ensayos.
La fuerza aplicada a la muestra objeto de ensayo se registra, mientras el incremento de
longitud que sufre el material puede obtenerse a partir de la señal de un extensómetro externo acoplado
a la muestra. En la figura se muestran dos tipos de curvas: en la primera se representa fuerzaincremento de longitud y en el segundo caso tensión-alargamiento. Estas curvas son las más habituales
y serán objeto de nuestro estudio.
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ENSAYOS MECÁNICOS
Figura 3. Curvas características obtenidas en los ensayos de tracción.
2.2.1.- Probetas utilizadas en los ensayos de tracción.
Las probetas son porciones de materiales preparados para ensayar, en algunos casos esta
preparación implica mecanizar, inyectar, troquelar etc. En cualquier caso siempre se prepararán de
acuerdo con las normas.
La sección transversal de la probeta podrá ser circular, cuadrada o rectangular y, en casos
especiales, de otras formas. En España, las dimensiones más generalizadas suelen ser de 13,8 mm de
diámetro y 100 mm de distancia entre puntos, en probetas de acero. Su ley de semejanza es:
L20
= 66,67
D
Figura 4. Tipos de Probetas para ensayos de tracción y mordazas utilizadas.
El tipo de probetas utilizadas para ensayos de tracción varía considerablemente. En la figura se
muestran distintos tipos de probetas y las mordazas donde van fijadas las probetas a la máquina de
ensayo.
2.2.2.-Fundamento del Ensayo de Tracción.
De la realización y obtención de las curvas tensión-alargamiento se pueden determinar
distintos parámetros del material tales como: Módulo de Young o de Elasticidad (E); Tensión de
fluencia; Tensión de Rotura o Resistencia a la Tracción, %Alargamiento a la Rotura y % Estricción a la
Rotura. Pasemos a continuación a definir todos estos parámetros.
Distancia entre puntos (L).
Es la longitud medida en cualquier momento entre las referencias marcadas en la parte
cilíndrica o prismática de la probeta, antes de comenzar el ensayo. En particular, se denominan como
se indica a continuación:
32
a.- Distancia Inicial entre puntos (Lo). Es la longitud medida entre los puntos de referencia
citados, antes de la aplicación de la carga.
b.- Distancia Final entre puntos (Lf). Es la longitud medida después de la rotura de la probeta
y de la reconstrucción de ésta, mediante la aproximación cuidadosa de las partes
obtenidas, a fin de que encajen lo más perfectamente posible, estando sus ejes en
prolongación.
c.- Incremento de longitud: Diferencia entre la Distancia entre puntos para una determinada
fuerza (L) y la Distancia Inicial ∆L = L - Lo.
Figura 5. Distancia entre puntos y diámetros de la probetas antes y después del ensayo.
Tensión unitaria (σ) [MPa o Kp/mm2].
Es el cociente de dividir la carga a que está sometida la probeta, en cualquier momento del
ensayo, por la sección inicial. Las unidades para expresar la tensión unitaria son generalmente MPascal
[106 N/m2] o Kp/mm2.
Alargamiento (ε) [%].
Es el aumento de la distancia inicial entre puntos de la probeta una vez sometida a la carga
prescrita y después de descargada, expresada en tanto por ciento según la fórmula siguiente:
ε=
Li − Lo
× 100
Lo
Alargamiento a la rotura (εR) [%]
Es el aumento de la distancia inicial entre puntos después de producida la rotura de la probeta
y reconstruida ésta, expresado en tanto por ciento de la distancia inicial según la fórmula siguiente:
εR =
Lf − Lo
× 100
Lo
Estricción (Ψ) [%]
Es la diferencia entre el área de la sección inicial (So) y el área de la sección (Si) una vez
sometida a la carga prescrita y después de descargada, expresada en tanto por ciento según la fórmula:
Ψ=
So − Si
Do 2 − Di 2
× 100 =
× 100
So
Do 2
Estricción a la rotura (ΨR) [%]
Es la diferencia entre el área de la sección inicial (So) y el área mínima (Sf) de la probeta
después de la rotura, expresada en tanto por ciento según la fórmula siguiente:
33
ENSAYOS MECÁNICOS
ΨR =
So − Sf
Do 2 − Df 2
× 100 =
× 100
So
Do 2
Resistencia a la Tracción o Tensión de Rotura (σR) [MPa o Kp/mm2]
Es la carga unitaria máxima soportada por la probeta durante el ensayo.
Tensión Última (σU) [MPa o Kp/mm2]
Es la carga unitaria en el momento de la rotura de la probeta.
Módulo de Young o de Elasticidad (E) [MPa o Kp/mm2].
El Módulo de Young puede ser evaluado a partir de la pendiente en la porción lineal elástica
de la curva fuerza-incremento de longitud obteniendo el valor según la fórmula:
Ε = Pendiente ×
Lo
So
o de la curva tensión – alargamiento:
Ε = Pendiente
Para el caso de materiales poliméricos o algunos metales muy dúctiles que no poseen una
perfecta linealidad en la zona de deformaciones elásticas, el módulo E se calcula como el módulo
secante a un alargamiento del 0,2%, tal y como se muestra en la figura. El módulo secante vendrá dado
por la pendiente del segmento OA.
Figura 6. Cálculo del Módulo Secante de un material.
Fluencia y Límite Elástico (σE) [MPa o Kp/mm2].
En algunos materiales que sufren una
transición del periodo elástico al plástico de forma
gradual, el punto donde empiezan a producirse las
deformaciones
permanentes
(fluencia),
se
denomina a menudo límite proporcional. En tales
casos, la posición de este punto no puede ser
determinada con precisión. Por este motivo se ha
establecido una convención por la cual se traza una
línea recta paralela a la línea elástica del diagrama
de tensión-alargamiento, desplazada por un
determinado alargamiento, generalmente 0,2%. La
tensión correspondiente a la intersección de esta
línea con el diagrama tensión-alargamiento, se
denomina límite elástico.
Figura 7. Cálculo del Límite Elástico al 0,2%.
34
Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método
anterior no es posible, y la práctica usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para
producir una determinada deformación plástica. Para estos materiales, esta tensión se puede tomar en
función del 0,1; 0,2 ó 0,5% de alargamiento. El valor calculado se expresa con el respectivo % de
alargamiento utilizado. El valor se obtiene trazando una paralela a la línea elástica de la gráfica, a partir
de 0,1% de alargamiento o el valor de alargamiento deseado hasta intersectar en la curva, obteniendo
por proyección el valor de la tensión.
Figura 8. Cálculo del Límite Elástico al 0,1%
En el caso de materiales férreos y en concreto de los aceros, también podemos distinguir otros
parámetros en las curvas tensión-alargamiento.
Figura 9. Curva tensión-alargamiento de un acero.
Límite elástico aparente superior (Punto A). Es el valor de la carga unitaria medida al
comienzo de la deformación plástica al iniciarse el fenómeno de fluencia o el valor de la carga unitaria
medida en el primer máximo que aparece en la figura al iniciarse la fluencia, aunque éste sea igual o
inferior a otros máximos que puedan presentarse durante dicho fenómeno.
Límite elástico aparente inferior (Punto B). Es la carga unitaria más baja que soporta la
probeta, al final de la fluencia, sin tener en cuenta las oscilaciones intermedias.
Veamos a continuación un ejemplo, donde calcularemos y aplicaremos todas las definiciones
anteriormente expuestas.
⎣En la siguiente figura se muestra la curva fuerza-incremento de longitud, en material polimérico. Las
dimensiones de la probeta fueron las siguientes: Anchura: 12,61 mm, espesor: 3,47 mm; Longitud
inicial: 50 mm; Longitud final después de la rotura: 97 mm. La máxima fuerza alcanzada en el ensayo
35
ENSAYOS MECÁNICOS
fue de 1290 N. Calcule: Módulo de Elasticidad o de Young (GPa); Tensión de rotura o Resistencia a la
Tracción (MPa); %Alargamiento a la rotura.
Cálculo del Módulo de Elasticidad o de Young (GPa).
E = Pendiente x (Longitud Inicial / Sección Inicial )
Pendiente: En 0,1 mm de incremento de longitud es el
0,2% de 50 mm de longitud y corresponden con una
fuerza aplicada de 112 N.
Pendiente= Fuerza / Extensión=
=1,12 / 10-4= 1,12x10-6 (N/m)
Sección = 1,261 x 10-2 x 3,47 10-3 = 4,38 x 10-5 m2
Longitud inicial Lo= 50 mm
E = 1,28 (GPa)
Cálculo de la Tensión de Rotura o Resistencia a la Tracción (MPa).
σR= ( Fmáxima / Sección Inicial)= 1290 / 4,38 x 10-5 = 29,45 MPa
%Alargamiento a la Rotura (εR)
εR=[(Longitud Final Lf - Longitud Inicial Lo) / Longitud Inicial Lo] x 100 =
= [ (97-50) / 50 ) ] x 100 = 94%.
2.2.3.-Observación de las Superficies de Fractura en la Probeta.
El examen de las probetas después de la rotura sirve para completar la información numérica
que se ha obtenido en el ensayo de tracción. En este apartado nos centraremos en la descripción de las
superficies de fractura como consecuencia de la aplicación de un esfuerzo uniaxial sobre aceros.
Los términos Dúctil y Frágil son utilizados desde el punto de vista de la existencia o no de
deformación plástica que precede a la rotura del material. Las fracturas dúctiles son aquellas que
ocurren por la formación y coalescencia de microgrietas en el interior del material. La forma copa-cono
que se muestra en las figura 10 a y b ocurre como resultado de una apreciable deformación plástica y
por consiguiente es una fractura dúctil. En este caso la fractura comienza en el interior del material
propagándose hasta la superficie produciéndose la separación final por un efecto de cizalla, la cual se
sitúa en la pared de la copa del material. La fractura frágil que se muestra en las figuras 10 c y d, se
caracteriza por la aparición de unas estrías que emanan del centro de la superficie de fractura. Las
estrías se propagan paralelas a la dirección de las grietas. La presencia de manchas brillantes también
delata la presencia de una fractura frágil.
a
Figura 10.
b
c
a y b Forma Copa-Cono respectivamente que indican fractura dúctil.
c y d. Superficies que presentan fractura frágil.
36
d
También es interesante observar la finura de grano y si existen inclusiones, poros y otras
irregularidades que ayudan a conocer con más precisión la calidad del material. Finalmente, es
conveniente observar el aspecto de la estricción, porque una gran estricción indica que el alargamiento
es elevado, mientras que una baja estricción es señal de poco alargamiento.
2.3.- ENSAYO DE RESILIENCIA.
Hay muchos materiales que ante la actuación de un esfuerzo se comportan de una manera
plástica pero en otras ocasiones se manifiestan de una forma frágil.
Generalmente tres son las causas que pueden motivar un comportamiento más frágil ante la
actuación de un esfuerzo:
Descenso de temperatura. Casi todos los metales o aleaciones se vuelven más frágiles al
descender la temperatura. Los casos más relevantes se dan en aquellos que cristalizan en sistema cúbico
centrado en el cuerpo, donde se presenta una temperatura de transición en la que disminuye
bruscamente su plasticidad (ver fig.11).
El efecto de la triaxilidad. Normalmente sobre los materiales actúan esfuerzos en una sola
dirección del espacio, pero cuando está lo hace en dos o tres direcciones restringe la capacidad de
deformación del material, aumentando por lo tanto su fragilidad. Cuando actúa un esfuerzo sobre un
material con entalla (aunque sea sólo en una dirección del espacio), además de provocar un efecto de
concentración de esfuerzos, crea unas tensiones en las tres direcciones del espacio (triaxilidad), que
restringen su deformación .
El efecto de la velocidad de aplicación de la carga. Se ha comprobado que conforme aumenta
la velocidad de aplicación de la carga, disminuye la capacidad para deformarse un material, es decir
aumenta su fragilidad.
Figura 11. Influencia de la temperatura en el comportamiento de distinos materiales.
Es obvio que se presentarán en muchas ocasiones en las que los materiales sufran la actuación
de esfuerzos en condiciones que afecten a la plasticidad de los mismos y es por tanto necesario un
ensayo que nos permita medir la respuesta de un material cuando está sometido a estas condiciones.
Normalmente se hacen ensayos que nos sirven para conocer la tenacidad del mismo (Cantidad
de energía consumida por unidad de sección para deformar y romper un material). Aunque no tienen el
mismo significado, hay una correspondencia entre plasticidad (cantidad de deformación) y tenacidad
(consumo de energía), por lo que implica que un material muy tenaz es un material con alta plasticidad
y a la inversa.
Los ensayos más empleados para medir la resiliencia de un material (energía consumida por
unidad de sección) son el método Charpy (muy empleado en Europa) y el Izod (más empleado en
Estados Unidos).
2.3.1.- Tipos de Ensayo de Impacto.
Los ensayos más importantes hoy día para predecir el comportamiento de un material ante la
acción de cargas dinámicas por flexión son los métodos Charpy e Izod.
37
ENSAYOS MECÁNICOS
En general, consisten en un
péndulo (ver fig 12), con una determinada
masa pendular, que sube hasta una cierta
altura h y, por lo tanto, con una energía
potencial determinada (Ep1), y se deja caer
rompiendo por flexión una probeta (a una
altura 0), subiendo después de haber
perdido energía (la consumida en la
deformación y rotura de la probeta) hasta
una altura h´ con una energía potencial Ep2.
La diferencia de energía potencial nos dará
la energía consumida y al dividirla por el
valor de la sección de la probeta, el valor de
resiliencia.
En estos ensayos, probetas
normalizadas se rompen de un solo golpe,
midiendo la energía consumida para
producir la rotura.
Se entiende por resiliencia, la
energía absorbida en la rotura por unidad de
sección, expresada en Kp/cm2.
Figura 12. Péndulo para Ensayos de Impacto
La resiliencia, por si sola no es suficiente para medir la tenacidad de un material. Es decir, la
resiliencia es un valor que caracteriza a un material sometido a determinadas condiciones de ensayo,
pero que no predice su comportamiento en situación real de servicio. No obstante, es un método válido
para contrastar la calidad de distintos metales o aleaciones.
2.3.1.1.- Ensayo Charpy.
El péndulo con el que se realiza este ensayo, está constituido por dos montantes verticales
unidos por su parte inferior a una base rígida, y un eje horizontal alrededor del cual gira un brazo que
tiene en su extremo una pesa en forma de disco. El disco presenta una arista afilada que forma un
ángulo de 30º, con radio de 1 mm., y que se encarga de romper la probeta por choque (ver figura 12).
En la parte inferior del montante hay dos apoyos regulables sobre los que descansa la probeta
en posición horizontal, de forma que la cara entallada quede opuesta a la cara que recibe el golpe.
Para realizar el ensayo se levanta el péndulo a una determinada altura (en nuestro caso 1,5 m.
o un ángulo de 161º10´) dejándola caer después. Al incidir sobre la probeta, la rompe y sigue
moviéndose hasta una altura inferior a la de caída, pues parte de la energía que llevaba se consume en el
choque, siendo ésta la energía que utilizaremos para calcular la resiliencia.
Para medir esa energía, la máquina dispone de una aguja que es arrastrada por el péndulo,
indicando en un disco graduado, el ángulo que alcanza el péndulo después del choque o, directamente
por ser proporcional, la energía consumida. Con estos datos podemos deducir el valor de la resiliencia
pues, como hemos dicho, la energía nos viene dada directamente en el disco graduado o la hallamos por
diferencia de alturas (que conocemos en función de los ángulos de caída y subida), siendo la sección la
correspondiente a la probeta.
Se han normalizado tres tipos de péndulos capaces de desarrollar una energía de 10, 30 y 300
Kpm, respectivamente.
Con los de 10 y 30 Kpm. se ensayan probetas de 10 x 10 mm de sección colocados en apoyos
que distan 40 mm. El de 10 Kpm. se utiliza para métales de baja resiliencia como Al, Zn, etc.
38
Con el péndulo de 300 Kpm. se ensayan probetas de 30 x 30 mm de sección y una distancia
entre apoyos de 120 mm.
La elección del tipo de probeta se hace de acuerdo con el material objeto de ensayo. Por lo
general, las probetas de los materiales más dúctiles deben poseer entalladuras más agudas y profundas
que los normales.
Figura 13. Probeta tipo Mesnager.
El tipo de probeta de mayor uso en España es la de Mesnager, con una entalladura de 2 mm. de
profundidad, 2 mm. de anchura y el fondo redondeado con 1 mm. de radio (ver fig. 13). Los valores de
resiliencia varían entre 30 Kpm/cm2 para aceros extradulces y 5 Kpm/ cm2 para aceros extraduros.
El tamaño y forma de las probetas tiene una importancia extraordinaria en los resultados, por
ejemplo, manteniendo constante la altura de una probeta y aumentando la anchura, se obtienen valores
de resiliencia decrecientes, debido a que la zona donde se experimentan mayores alargamientos, influye
cada vez en menor grado conforme aumentamos la anchura.
2.3.1.2.- Ensayo Izod.
Es también un ensayo de flexión por choque muy semejante al de Charpy. Se caracteriza
porque la probeta entallada está sujeta por un extremo y libre por el otro (ver fig. 14). Sobre este
último recibe el golpe de la maza pendular (en este caso, cuando la maza golpea lo hace con una
energía de 19,6 Kpm.) . El golpe lo recibe por la cara de la entalla, que debe quedar enrasada con el
borde de la mordaza de sujeción. La maza golpea a una distancia de 22 mm. de la entalla.
Figura 14. Configuración del Ensayo Izod.
Las probetas que se utilizan son, por lo general, de 130 mm. de longitud con tres entallas en
distintas caras que distan 28 mm. entre sí, de forma que se pueden efectuar tres ensayos sobre la misma
probeta, siendo el resultado final el promedio de los tres.
1.
2.
2.3.2.- Consideraciones sobre los Ensayos de Flexión por Choque.
Las probetas deben cumplir siempre las dimensiones y tolerancias establecidas en cada caso, ya
que para que los resultados sean comparables, las probetas deben tener iguales características
geométricas.
Las probetas deben estar bien mecanizadas, no presentando rayas ni marcas de mecanizado.
39
ENSAYOS MECÁNICOS
3.
La profundidad y forma de las entalladuras deben ser la más exacta posible. Cualquier rugosidad
que presenten puede variar el valor de la resiliencia.
4.
Las distancias entre apoyos deben ser siempre las mismas para que los resultados sean
comparables.
5.
Al aumentar la velocidad de caída se dificulta el deslizamiento cristalino, es decir, un aumento de
velocidad supone una disminución de la resiliencia.
6.
Normalmente y salvo casos especiales los ensayos se realizarán a una temperatura constante
20±3ºC, ya que las variaciones de temperatura pueden modificar extraordinariamente los
resultados. Un descenso de temperatura provoca una disminución de ductilidad y resiliencia.
7.
Es necesario señalar el proceso seguido para obtener la probeta, pues los valores de resiliencia
varían según el lugar de donde han sido extraídas, por ejemplo, en las piezas de acero, según sean
del centro o de la periferia.
8.
Hay que indicar la orientación de las probetas respecto al sentido de forja o laminación (si lo
tienen) pues los valores obtenidos en probetas extraídas en sentido transversal, son inferiores a los
de las obtenidas en sentido longitudinal. Para evitar errores de interpretación conviene efectuar
ensayos longitudinales y transversales.
Si designamos por ρ1 y ρt a las resiliencias longitudinales y transversales, respectivamente,
podemos obtener el coeficiente K:
ρt
K=
ρ1
10. No se considera válido un ensayo si la probeta no sufre una rotura total. La calidad del metal será
mayor cuanto más cercano a la unidad sea el valor de K.
9.
2.4.- ENSAYOS DE DUREZA.
De forma genérica se entiende por dureza la resistencia superficial a la deformación de un
sólido. Aunque no es una propiedad fundamental de un material, a partir de ella se pueden obtener
informaciones acerca de las características mecánicas del mismo, ya que está relacionada con las
propiedades elásticas y plásticas.
El valor de dureza obtenido en un ensayo determinado sirve sólo como comparación de ese
material con otros, o con él mismo, tras un tratamiento efectuado sobre él.
El procedimiento de ensayo y la preparación de la muestra tienen la ventaja de ser sencillos,
rápidos y en algunos casos no destructivos. Además, a partir de la dureza de un material se puede
obtener cierta información sobre sus características mecánicas. composición resistencia al desgaste,
dificultad de mecanizado, influencia de los tratamientos térmicos o mecánicos que ha sufrido, etc.
La moderna tecnología aplicada a las construcciones metálicas y las transformaciones a que
pueden someterse las estructuras internas de los metales, mediante procesos térmicos y de aleación
demuestran la importancia que para la industria tiene el conocimiento a priori de la dureza de los
materiales para la correcta utilización de los mismos.
Los diversos ensayos de dureza se pueden dividir en tres grandes grupos:
l. Ensayos de dureza al rayado.
2. Ensayos de dureza por penetración estática.
3. Ensayos de dureza elástica o dinámicos.
40
2.4.1.- Ensayos de Dureza al Rayado.
Es el primer procedimiento para determinar la dureza y se debe a Friedrich Mhor. Este
procedimiento consiste en una escala de dureza formada por diez minerales de forma que cada uno de
ellos es rayado por el siguiente. Si un material es rayado por uno de los minerales de la escala y no por
el siguiente, su dureza se encontrará entre esos dos valores de la escala.
Dentro de los ensayos de dureza al rayado, son también importantes los ensayos con la lima,
en los que el material se somete a la acci6n de una lima de forma y dureza determinadas. Este tipo de
ensayos son muy rápidos y sencillos, aunque no tan precisos.
Dentro de este tipo de ensayos destaca también el método de Martens; éste ideó un aparato con
una punta piramidal de diamante, con un ángulo en el vértice de 90", sobre el cual, mediante un brazo
de palanca, actúa una carga. La probeta se desplaza bajo el diamante produciéndose así un surco en
ella. Midiendo la anchura de la raya en micras, se calcula la dureza según:
M =
10000
(W = µm)
W2
2.4.2.-Ensayos de Dureza por Penetración Estática.
Se utilizan diversos métodos que se diferencian en la forma de los penetradores, en la carga
que se aplica y en la forma de expresar el valor de la dureza. Los más importantes son los denominados
Brinell, Víckers y Rockwell.
2.4.2.1.- Dureza Brinell.
Se caracteriza porque la impresión se produce mediante una bola de acero extraduro a la que
se le aplica una carga con el fin de que deje una huella impresa en el material (Ilustración 1).
La impresión de la huella será un casquete esférico. Llamando D al diámetro de la bola, P a la
carga aplicada y d al diámetro de la huella, la dureza vendrá dada por:
H=
2P
π D( D − D 2 − d 2 )
Este ensayo se estableció para una carga de 3000 Kp y un
diámetro de bola de l0 mm, para determinar durezas de hierros y
aceros con espesores mayores de 6 mm. Se comprobó posteriormente
que para espesores menores y para materiales más blandos, el material
sufría grandes deformaciones que impedían la obtención de una huella
clara y fiable. Para solucionar este problema, había que actuar con
cargas distintas, lo que hacía necesario el empleo de un penetrador de
distinto diámetro. Se comprobó que para que el ensayo fuera válido y
cotejable, las huellas tienen que ser semejantes y cumplir la relación:
p1
Figura 15.Ensayo Brinell
D12
=
p2
D22
= K (cte)
Este ensayo se caracteriza por provocar en la pieza una huella producida por una bola de acero
extraduro, o en casos especiales, de carburo de Wolframio de diámetro determinado al actuar sobre ella
una carga también prefijada. Se producirá entonces una huella en forma de casquete esférico sobre la
pieza, de diámetro d y superficie S.
El valor de dureza Brinell es:
41
ENSAYOS MECÁNICOS
1
P
, pero como S = π D f = π D(D - D 2 − d 2 )
S
2
2P
sustituyendo, queda: HB =
π D(D - D 2 − d 2 )
HB =
Por tanto, para hallar H sólo hay que medir d, ya que P y D son constantes.
Para ejecutar este ensayo se precisa disponer de lo siguiente:
a)
Una máquina capaz de actuar sobre la bola la carga deseada, medida con un error inferior al 3%.
b) Un microscopio con retículo graduado, capaz de medir la huella con una precisión de 0,01 mm.
Factores que deben tenerse en cuenta en la realización de este ensayo:
a) La elección de cargas y bolas se realiza teniendo en cuenta el criterio aproximado que marca el
material en cuanto a dureza y espesor. Cuanto más blando sea el material, tanto menor debe ser la
constante de ensayo K.
b) Del mismo modo, cuanto más delgadas Sean las piezas, menores han de ser las cargas y los
diámetros de las bolas.
Las precauciones que deben tenerse en cuenta son:
l) Que la zona superficial de la pieza donde se ha de realizar el ensayo esté completamente
limpia, pulida, exenta de defectos y dispuesta normalmente a la dirección de la carga. En las
superficies curvas es necesario rectificar una zona de tamaño adecuado.
2) Que el espesor de la pieza no sea inferior a 10 veces la flecha del casquete de la huella.
La determinación del espesor es fundamental, pues el ensayo no debe dar lugar a que la huella quede
marcada en la parte opuesta.
3) Que el centro de la huella diste del borde de la pieza más de 2d.
4) Que la carga aumente lentamente y se mantenga constante durante cierto tiempo.
Para más detalles sobre la realización del ensayo consultar la norma UNE 7017.
Habiendo tomado las precauciones antes citadas, estamos en condiciones de efectuar el
ensayo.
Disponemos de un durómetro Brinell empleando una bola (penetrador) de D= l0 mm.
Colocaremos sobre la plataforma situada sobre el husillo la pieza o muestra cuidando que ésta asiente
bien y que la superficie de actuación de la bola esté perfectamente plana y rectificada para que la huella
sea exactamente un casquete esférico.
Así, la designación de este ensayo se hace escribiendo el número de dureza seguido de la letras
HB y de las características del ensayo: bola/carga/tiempo.
110 HB 10/3000/30
Tiempo de ensayo
Fuerza
Diámetro de la bola
42
Dureza Brinell
nº de dureza
Existen tablas (como la que se adjunta) de doble entrada que dan los valores de HB en función
de P y d.
En este tipo de ensayos, si el material sometido a ensayo tiene poco espesor, los resultados sé
falsean, pues la huella no es sólo superficial sino que se deforma todo el material. Para obviar este
inconveniente se pueden obtener números Brinell iguales siempre que las cargas aplicadas se
mantengan proporcionales a los cuadrados de los diámetros de las bolas, porque en estas circunstancias
se obtienen huellas geométricas semejantes.
A estas relaciones se les llaman constantes de ensayo y se han elegido de forma que:
D
D
<d<
4
2
Si la cifra de dureza Brinell es superior a 500, las bolas de acero ordinario sufren
deformaciones y el desarrollo no es correcto, razón por la cual se han construido bolas de carburo de
Wolframio que dan resultados aceptables hasta 725 unidades
Brinell.
Además de la constante de ensayo y el diámetro de la
bola, interviene el tiempo de duración del ensayo. En España se
estipula como norma una duración de 30 segundos.
2.4.2.2. Dureza Vickers.
Data este método de 1925 y su razón de ser estriba en que
el método Brinell, a partir de durezas superiores a 400 Kp/mm2 no
arroja resultados convincentes y, para durezas mayores de 600
Kp/mm2 , es inaplicable.
43
ENSAYOS MECÁNICOS
Figura 16. Ensayo Vickers.
Se diferencia del Ensayo Brinell en la sustitución del penetrador de bola por una pirámide
cuadrangular de diamante, con lo que se consigue una mayor penetración y la posibilidad de medir
materiales muy duros sin sufrir deformación (hasta 1000 Kp/mm2 ) debido a la gran dureza del
diamante.
Las caras opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º. Las cargas a que se somete al
material oscilan entre 5 y 120 Kgf, siendo el tiempo de duración de la carga de 10 a 15 segundos.
El número de dureza Vickers se define por HV, que se obtiene de la siguiente expresión:
HV = 2P
sen 68º
D
2
= 1,8544
P
D2
P= carga y D= diagonal de la huella.
2.4.2.3.- Dureza Rockwell.
Tiene la ventaja sobre los dos métodos anteriores, de una mayor rapidez de realización del
ensayo, aunque no tiene la misma precisión.
Se utiliza como penetrador, según los casos, una bola de acero o un cono de diamante de
ángulo en el vértice de 120º, con un extremo esférico de 0, 2 mm. de diámetro. En este ensayo no se
mide la superficie de la huella, sino su profundidad.
Con el fin de obtener una superficie de referencia a partir de la cual se pueda medir la
penetración del punzón, se somete éste a una pequeña carga previa (10 Kp) que producirá una huella de
profundidad ho. A continuación se hace actuar la carga adicional (90 ó 140 kp) con lo que la
profundidad de la huella alcanza el valor h1. Se retira la carga adicional y el penetrador retrocede
debido a la recuperación elástica del material quedando una profundidad permanente h. La
penetración será:e = h-ho que se mide mediante un dispositivo accionado por el penetrador.
Figura 17. Ensayo Rockwell C. (Penetrador: Cono Diamante y Carga de 150 Kg)
En la tabla se indican los distintos tipos de ensayos Rockwell que se utilizan en la industria.
A
Escala
Carga Kg
60
Penetrador
Cono de diamante
B
100
Bola de 1/16”
C
150
Cono de diamante
Materiales típicos
Materiales duros en extremo, carburos de
tungsteno, etc.
Materiales de dureza media, aceros al carbono
bajos y medios, latón, bronce, etc.
Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y
44
D
E
100
100
Cono de diamante
Bola de 1/8”
F
G
H
K
L
60
150
60
150
60
Bola de 1/16”
Bola de 1/16”
Bola de 1/8”
Bola de 1/8”
Bola de 1/4”
revenidas.
Aceros superficialmente cementados.
Hierro fundido, aleaciones de aluminio y
magnesio.
Bronce y cobre recocidos.
Cobre al berilio, bronce fosfórico, etc.
Placa de aluminio.
Hierro fundido, aleaciones de aluminio.
Plásticos y metales suaves, como el plomo.
Para determinar la dureza en chapas muy delgadas, en capa cementadas o nitruradas, y en
aquellos casos en que la impresión de la huella tenga que ser pequeña, se utiliza el ensayo de dureza
Rockwell superficial.
Su fundamento es análogo al de la dureza Rockwell normal con la diferencia de que la carga
inicial es de 3 Kp y la total de 15, 30 ó 45 Kp.
La dureza Rockwell se designa agregando al número de dureza las letras HR, el símbolo del
penetrador y la carga empleada.
Ejemplo:
50 HRC 150.
Las cifras de dureza Rockwell de las escalas B y C pueden convertirse en cifras Brinell mediante
las ecuaciones:
7300
Dureza − Brinell =
130 − HR
Si 20<HR<40
1420000
100 − HR
Si HR>40
2500
100 − HR
Con mayor frecuencia se utilizan tablas comparativas de dureza para hacer la conversión de las
durezas obtenidas por un método a otro.
En la tabla se esquematiza todos los métodos descritos hasta ahora.
45
ENSAYOS MECÁNICOS
2.4.3.-Ensayos Dinámicos.
Científicamente se hallan muy por debajo de los estáticos, ya que los valores obtenidos
presentan muchos errores y una gran dispersión de los mismos, pero tienen la ventaja de que requieren
aparatos muy sencillos, son extraordinariamente rápidos y aplicables en cualquier lugar, lo mismo a
piezas grandes que pequeñas.
Se distinguen de los estáticos en que se mide la energía elástica que es capaz de absorber el
material, distinguiéndose fundamentalmente los de choque y los de retroceso.
2.4.3.1.- Métodos de choque.
En este caso la bola tiene 5 mm. de diámetro y se lanza con un impulso suficiente para que
deje una huella permanente de gran tamaño.
Existen diversos tipos de aparatos (Baumann, Schwarz y
otros) pero el más clásico es el de Poldi. Como puede observarse
en la figura 18 , el impulso se comunica directamente con la mano.
Se coloca entre el yunque y la bola una probeta de comparación
cuya dureza es conocida. Midiendo las impresiones producidas en
una y otra, se puede obtener la dureza buscada.
Si
Hp y H ,son las durezas patrón y problema,
respectivamente y siendo Sp y S las superficies de las huellas se
tiene:
H =
Sp
S
Hp
Figura 18. Ensayo Poldi
2.4.3.2.- Métodos de retroceso.
Se basan en el hecho de que si se deja caer desde una altura conveniente un pequeño
martillo, con una punta redondeada de diamante en un extremo, sobre el material problema la energía
46
de caída será absorbida en producir huella elástica, por lo que el martillo retrocederá, elevándose a una
altura menor que la inicial de partida. Esta altura se toma como la medida de la dureza por retroceso.
Estos métodos se usan para determinaciones con materiales endurecidos que no deben
presentar huella permanente, así como en el control de uniformidad en la dureza de grandes superficies
o piezas que se han de comparar.
Los diferentes aparatos se distinguen en el peso del martillo, la forma de la punta de
diamante y la altura de caída. Los más conocidos son el esclerómetro Shore y el duroscopio.
En el esclerómetro Shore, el martillo cae desde una altura ho sobre la pieza y retrocede a la
altura hi. Para facilitar la perpendicularidad en la caída, el martillo se desliza sin rozamiento en el
interior de un tubo. El valor hi se define como la dureza Shore. La escala tiene 130 divisiones, trazadas
de modo que la altura hi para el acero eutectoide templado valga 100.
En el duroscopio, el martillo cae sobre la pieza como la lenteja de un péndulo, midiéndose
ángulos en lugar de longitudes.
El ángulo inicial es de 70º y el final se toma como valor de dureza.
2.4.4.-Normas de Consulta.
Para la determinación de la dureza Brinell, véase la norma UNE 7017 (determinación de la
dureza Brinell en los aceros de construcción).
Para la determinación de la dureza Rockwell, véase la norma UNE 7053 (determinación de la
dureza Rockwell en los materiales metálicos).
Para la determinación de la dureza Víckers, véase la norma UNE 7054 (determinación de la
dureza Víckers en los materiales metálicos).
Para la determinación de la dureza Shore, véase la norma UNE 7081 (determinací6n de la
dureza Shore en los materiales metálicos).
Se proponen realizar los ejercicios del capítulo 2 de Ejercicios de Autoevaluación.
4.- ACTIVIDADES PRÁCTICAS.
4.1.- PRÁCTICA DE ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE UN ACERO
⇑Tome las medidas de la probeta a ensayar.
⇑Con ayuda de un rotulador, marque dos puntos en el tercio central de la probeta y mida la distancia
entre los puntos.
⇑Sitúe y fije la probeta a las mordazas de la Máquina Universal de Ensayos.
⇑Efectúe y registre el ensayo de tracción con ayuda de las indicaciones del profesor responsable.
⇑Observe la estricción que sufre la probeta, durante el ensayo.
⇑Tome la probeta, acople con cuidado las partes fracturadas y mida de nuevo la distancia entre los
puntos y el diámetro de la probeta rota.
⇑Calcule el alargamiento a la rotura, estricción a la rotura, Resistencia a la tracción, Módulo de
Elasticidad, Límite Elástico (0,2%) y Tensión Última del material, a la vista del gráfico registrado.
47
ENSAYOS MECÁNICOS
⇑Describa las superficies de fractura e indique si corresponden a una rotura dúctil o frágil.
Mantenga una distancia de seguridad sobre las partes móviles de la Máquina de Ensayo.
Una vez finalizado el ensayo, tenga cuidado en la manipulación de la probeta, ya que puede estar muy
caliente o incluso puede producir pequeños cortes con las superficies de fractura.
4.2.- PRÁCTICA DE ENSAYO CHARPY SOBRE UN ACERO
⇑Tome las medidas de la probeta a ensayar.
⇑Sitúe y fije la probeta en la zona inferior del péndulo. Recuerde que el péndulo debe de golpear a la
probeta por detrás de la entalla en la configuración del ensayo Charpy.
⇑Eleve el péndulo hasta la posición inicial, situando a continuación la aguja en la posición 30Kpm.
⇑Retire la palanca que bloquea el péndulo y rompa la probeta..
⇑Frene el péndulo y lea los valores de Energía y Ángulo obtenidos en el ensayo.
⇑Recoja la probeta y observe las superficies de fractura.
⇑Calcule los valores de resiliencia expresando los resultados en unidades del S.I..
Mantenga una distancia de seguridad sobre el péndulo.
No se acerque al péndulo hasta que no esté totalmente parado.
4.2.- PRÁCTICA DE DUREZA BRINELL
⇑Cerrando previamente la válvula de comunicación de aceite, accionamos la palanca hasta medir en el
manómetro una presión de 3000 Kp. Mantenemos esta presión constante durante 30 segundos, abriendo
a continuación la válvula del circuito para que descienda totalmente la presión
.
⇑Retiramos la pieza y medimos el diámetro de la huella con la mayor exactitud posible, ya que
cualquier error en la medida falsearía los resultados. Aplicando la formula, obtendremos el valor de
dureza buscado.
⇑El número obtenido para el valor de la dureza no tiene significación propia si no va acompañado de
los valores de diámetro del penetrador, carga empleada en el ensayo y duración de la carga.
5.- BIBLIOGRAFÍA.
1.
2.
3.
4.
William D. Callister, Jr. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Ed. Reverte.
1995. Capítulo 6.
Metals Handbook. Desk Edition. Second Edition ASM International.1998. Pags. 1308-1320.
John V.B. Engineering Materials. The MacMillan Press LTD. 1994. Capítulo 11.
Tensile Testing. ASM International 1992. Capítulo 1.
48
Unidad 5
Ensayos No Destructivos (E.N.D.)
1.- OBJETIVOS.
Al término de esta unidad el alumno deberá ser capaz de:
+
+
+
+
+
Diferenciar los distintos tipos de Ensayos No Destructivos.
Conocer los principios físicos básicos de los Ensayos No Destructivos.
Diferenciar las etapas a seguir en los distintos Ensayos No Destructivos.
Conocer los equipos que se emplean en Ensayos No Destructivos.
Realizar calibraciones con los equipos de Ultrasonidos y Corrientes Inducidas.
2.1.- INTRODUCCIÓN
En los últimos cuarenta años, los métodos de Ensayos No Destructivos han pasado de ser una
simple curiosidad de laboratorio, a una herramienta indispensable en la industria, para inspección y
control de los materiales.
Además, estos métodos de ensayo permiten una vigilancia de los sistemas a lo largo del
servicio, contribuyendo a asegurar su calidad funcional además de colaborar en la prevención de
accidentes.
También cabe citar, entre otros beneficios indirectos, su contribución al control de procesos de
fabricación. Así, por ejemplo si en un tratamiento térmico se obtienen resultados heterogéneos en la
dureza o se originan grietas, mediante ensayos por inducción electromagnética se puede determinar en
qué etapa se produjo esta anomalía y en qué materiales, con lo que se podrá corregir, inmediatamente,
el proceso o realizar la selección conveniente del material, con la economía consiguiente.
Los E.N.D. pueden clasificarse según su utilidad tal y como se ilustra en el esquema:
E.N.D.
Estudio de Materiales
Estructuras
Prop. Físicas
Defectología
Metrología
Discontinuidades
Impurezas
Corrosión
Fugas
49
Espesores
Recubrimientos
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (E.N.D.)
Por lo tanto en un ensayo no destructivo una vez realizado, el material objeto de estudio debe
conservar las mismas propiedades físico-químicas que poseía antes del ensayo. Estas técnicas se suelen
utilizar cuando el material está desarrollando su función por lo que los dispositivos empleados para
estos ensayos suelen tener unas características comunes: ser portátiles, autónomos además de
simplicidad en el manejo.
E.N.D.
Ultrasonidos
Líquidos
Penetrantes
Corrientes
Inducidas
Partículas
Magnéticas
Radiografía
de Rayos X
Inspección
Visual
Detección
Cambios en
Impedancia
Acústica
Grietas,
Porosidades
Cambios en
conductividad
eléctrica
Campos de
Fuga causados
por defectos
Cambios en la
Densidad
Cambios
Superficiales
Ventajas
Aplicaciones
Limitaciones
Materiales de bajo
Soldadura
Requiere un medio
espesor. Puede ser
Fundiciones
acoplante.
automatizado
Recubrimientos
Superficie lisa
Fácil de utilizar,
Soldadura
Defectos
bajo coste, sensible
Cerámicas
superficiales. No útil
a defectos pequeños
Plásticos
en materiales porosos
Capacidad de
Piezas de Automoción Solamente materiales
automatización
Caracterización de
conductores eléctricos
Materiales
Coste Moderado.
Soldadura
Materiales
Sensible a defectos
Fundiciones
ferromagnéticos.
superficiales
Forjas
Gran campo de
Soldadura
Requiere grandes
aplicación.
Fundiciones
medidas de seguridad.
Puede ser
Sin límites
Tratamiento
automatizado
superficial
Tabla 1. Campo de Aplicación de los Ensayos No Destructivos.
A continuación pasaremos a exponer los ensayos que realizaremos en el laboratorio.
2.2.- ENSAYOS DE ULTRASONIDOS.
La inspección por Ultrasonidos es un método no destructivo en el cual, ondas mecánicas de
alta frecuencia(1-10 MHz) se hacen incidir sobre un material para detectar defectos subsuperficiales,
medir espesores y localizar defectos en el interior del material.
2.2.1.-Características Generales de las Ondas Ultrasónicas.
A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas ultrasónicas necesitan un medio para
propagarse. Las ondas ultrasónicas, por tanto, son ondas de tipo mecánico y consisten en oscilaciones o
vibraciones de partículas moleculares o atómicas alrededor de una posición de equilibrio. Las ondas
ultrasónicas se pueden propagar en medios elásticos, los cuales pueden ser sólidos o líquidos, y por lo
tanto no pueden propagarse en el vacío.
Los ultrasonidos escapan a nuestra percepción auditiva, ya que sus frecuencias se encuentran a
partir de unos 25 KHz.
Figura 1. Espectro de Ondas Mecánicas.
50
En la inspección por ultrasonidos, las frecuencias más comunes de trabajo se encuentran entre
1 y 10 MHz. En la tabla adjunta se muestran las distintas frecuencias en diversos materiales.
Rango de Frecuencia
400 KHz-5 MHz
200 KHz-2,25 MHz
1-10 MHz
2,25-10 MHz
1-2,25 MHz
Aplicaciones
Acero, Aluminio, Latón
Plásticos
Forjados
Vídrio-Cerámica
Soldadura
Tabla 2. Rango de frecuencia de ultrasonidos utilizadas en distintos materiales.
Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través de un medio, éste opone una resistencia que
dificulta la propagación. Una medida de esta resistencia es la denominada impedancia acústica.
Podemos definirla como el producto de la velocidad de propagación en un medio por la densidad:
Z= ρ V
donde:
(1)
2
Z: Impedancia Acústica (gr/(s cm ))
3
ρ: densidad del medio (gr/cm )
V: Velocidad de propagación (cm/s)
Cuando las impedancias acústicas de dos materiales que están en contacto, son iguales o muy
similares, no se observa el fenómeno de reflexión. Cuando presentan distintas impedancias acústicas se
producen reflexiones en uno de los medios. El porcentaje de ondas reflejadas para el caso de una
incidencia normal de un medio 1 a un medio 2, queda expresado en la siguiente ecuación:
%Ondas =
Z 2 − Z1
× 100
Z1 + Z 2
(2)
−Calcule el % de Ondas Reflejadas que se produce cuando un haz de rayos ultrasónicos se propaga
desde el aire a una pieza de acero. Efectúe el mismo cálculo para el caso de un haz de rayos
ultrasónicos que se propaga desde una parafina a una pieza de acero.
Utilice los datos que se encuentran en la tabla 3.
2.2.2.- Equipos de Ultrasonidos para inspección.
Aunque los aparatos de ultrasonidos pueden variar de manera considerable de un fabricante a
otro, en general todos los equipos consisten en un palpador, un generador de impulsos y un
osciloscopio como se observa en la figura 2:
Figura 2. Equipo de Inspección por Ultrasonidos.
La generación y detección de las ondas ultrasónicas para inspección está unida a un material
transductor. Este material es un cristal piezoeléctrico. La piezoelectricidad es electricidad inducida por
presión, una propiedad característica de ciertos materiales cristalinos naturales como el cuarzo y otros
materiales sintéticos como el BaTiO3 y Li2SO4.
51
Los cristales piezoeléctricos forman parte de los denominados palpadores. Los palpadores se
dividen en dos grandes grupos, los denominados monocristales y los bicristales, tal y como podemos
observar en la figura 3. Los monocristales actúan como emisores y receptores y los bicristales poseen
dos conexiones con los cristales piezoeléctricos, uno que actúa como emisor y otro como receptor.
Figura 3. Palpaldores utilizados en Ensayos por Ultrasonidos.
2.2.3.-Medios Acoplantes.
Las ondas ultrasónicas se transmiten con mucha dificultad en el aire. La diferencia entre la
impedancia acústica existente en el aire y en los materiales a ensayar es alta, provocando que todas las
ondas emitidas se reflejen en la superficie del material, según la ecuación (2). En la tabla adjunta se
muestran los valores de impedancia acústica para el caso de distintos materiales.
Medio
Aire
Agua
Parafina
Acero al Carbono
Acero Inoxidable
Fundición
Latón Naval
Aluminio
PMMA
Nylon
Densidad
(gr/cm3)
0,00129
1
0,9
7,85
7,9
6,95-7,35
8,41
2,71
1,18
1-1,2
Velocidad
105 (cm/s)
0,331
1,49
2,2
5,94
5,66
3,5-5,6
4,43
6,35
2,67
1,8-2,2
Impedancia Acústica (x106)
(g/cm2 s)
0,00004
0,149
0,2
4,66
4,47
2,5-4
3,73
1,72
0,32
0,18-0,27
Tabla 3. Impedancias acústicas de distintos medios.
Los medios acoplantes utilizados normalmente para inspección incluyen agua, goma de
celulosa, glicerina, grasas de petróleo, silicona, etc. Para elegir el medio acoplante más adecuado hay
que tener en cuenta los siguientes aspectos:
1.- Acabado superficial de la pieza a inspeccionar.
2.-Temperatura de la superficie.
3.- Posibilidad de reacciones químicas entre el medio acoplante y la pieza.
4.- Limpieza posterior de la pieza una vez finalizada la inspección.
52
Figura 4. Medio Acoplante.
Es por lo tanto imprescindible utilizar un medio acoplante cuando estemos realizando una
inspección por ultrasonidos. La no utilización de un medio acoplante puede llevar a la imposibilidad de
realizar el ensayo adecuadamente.
2.2.4.- Etapas del Ensayo por Ultrasonidos
La realización de un ensayo por ultrasonidos requiere una serie de etapas que pueden
resumirse en las siguientes:
A.- Estudio de la pieza problema: geometría, naturaleza, estado superficial.
B.- Elección del tipo de palpador, frecuencia, superficie de barrido, etc.
C.- Aplicación del medio acoplante más adecuado.
D.- Calibración del equipo. Es preciso calibrar el equipo, a ser posible con piezas patrón del mismo
material a ensayar.
E.- Realización del ensayo, haciendo un registro de los datos obtenidos, habrá que tener en cuenta:
Posición del palpador, aparición y forma de los ecos.
2.2.4.1.- Calibración
Como operación previa al proceso de inspección por ultrasonidos, es necesario proceder, en
primer lugar, a una comprobación satisfactoria del estado de funcionamiento del equipo. Para ello es
preciso estar familiarizado con el equipo y disponer de bloques de calibración o piezas patrón.
2.2.4.2.- Piezas Patrón para Calibración.
La pieza que se utilice debe ser del mismo material que el que se quiere ensayar o, al menos,
similar, así como presentar una configuración geométrica que permita las calibraciones en distancia.
Entre las piezas de calibración normalizadas destacan por su utilidad y amplia difusión los del Instituto
Internacional de Soldadura, piezas denominadas V-1 y V-2.
Figura 5. Pieza patrón V1 del Instituto Internacional de Soldadura.
2.2.4.3.- Calibración de Distancias con Palpador Monocristal Normal.
Mediante la calibración es posible hacer corresponder a todo el ancho de la pantalla del equipo
una distancia definida. Este dominio de distancia se designa campo de ensayo. Para la calibración
usamos un bloque de calibración plano-paralelo que tenga un espesor conocido y debe estar hecho en el
mismo material que las piezas a verificar.
Veamos a continuación un ejemplo que ilustrará la forma de operar en una calibración
utilizando un palpador monocristal del tipo "normal".
53
⎣Se
desea calibrar el equipo de ultrasonidos de 0 a 100 mm sobre una pieza de acero. Para ello,
disponemos de una pieza patrón V1.
Si el campo de ensayo es de 0 a l00mm. quiere decir que una distancia de 0 a 100 mm. en un
acero, lo vamos a visualizar sobre una escala de 50 divisiones en la pantalla de nuestro equipo. En otras
palabras, una división de la escala corresponde a 2 mm de acero. Este valor es el factor de escala K y se
define según la expresión:
K= Campo de Calibración / nº divisiones
En nuestro caso
K= (100/50) = 2 (mm / división)
El primer pico o eco de fondo que obtenemos del bloque de calibración de 25 mm viene de una
profundidad de 25 mm. Llamaremos distancia sencilla "S", al recorrido sonoro considerando la ida y
vuelta del haz ultrasónico. El segundo pico o eco de fondo que obtengamos corresponderá con el doble
de la distancia sencilla, esto es S2=50mm.
Este proceso se repite resultando una secuencia de recorridos sonoros de S3= 75 mm y S4=100
mm, correspondientes al tercer y cuarto pico o eco de fondo.
Estos recorridos sonoros se van ahora a asignar a las posiciones en la escala de la pantalla del
equipo que en nuestro caso posee 50 divisiones.
Después de esta preparación matemática podemos comenzar con el proceso de calibración real.
ETAPA 1.- Con el botón "Nivel de campo" seleccionamos 50mm, lo cual significa que el
equipo podrá asumir calibraciones comprendidas entre 50 mm y el siguiente valor de campo que en el
caso de nuestro equipo es 250 mm.
ETAPA 2.- Situamos el palpador sobre la pieza patrón V1, interponiendo un poco de medio
acoplante. Visualizaremos los picos-ecos en la pantalla, lo cual requerirá incrementar o disminuir la
intensidad con ayuda de los botones "Intensidad".
ETAPA 3.- Vamos girando alternativamente los botones "Desplazamiento de los Ecos (Z)" y
"Espectro (Y)", hasta que situemos los cuatro primeros picos-ecos en las posiciones previamente
calculadas, esto es:
Pico
1
2
3
4
Distancia Sencilla
S1
S2
S3
S4
Distancia Equivalente
25 mm
50 mm
75 mm
100 mm
Situación en la Pantalla
12,5 divisiones
25 divisiones
37,5 divisiones
50 divisiones
A partir del anterior diagrama de calibración podemos deducir
tres condiciones que son importantes para la calibración:
1. Para la calibración se requieren al menos dos ecos.
2. En la calibración tenemos que utilizar el mismo tipo de
material (acero, latón, aluminio, etc.) que vayamos a inspeccionar a
continuación.
3. El espesor del bloque de calibración no debe ser más grande
que el campo de calibración.
Figura 6. Espectro de Calibración
54
− Indique el valor de campo de las calibraciones efectuadas que se presentan en la figura 7:
Figura 7. Espectros de Calibración.
2.2.4.4.- Medida del Espesor de una pieza.
El ensayo por ultrasonidos tiene en la medida de espesores una de sus mayores aplicaciones.
Previamente a medir el espesor de una pieza utilizando un palpador monocristal normal, habrá que
realizar la calibración adecuada, que tendrá que tener un valor de campo por encima del espesor de la
pieza a medir.
Una vez realizada la calibración adecuada según se expuso en la sección anterior, y calculado
el factor de escala K, se seguirán las siguientes etapas.
a.- Aplicación del medio acoplante más adecuado
b.- Situar el palpador sobre la superficie de la pieza a inspeccionar.
c.- Lectura de la situación del pico o eco de fondo.
d.- Cálculo del espesor = factor de escala (K) x número de divisiones del pico.
Veamos a continuación un ejemplo de medida de un espesor en una pieza.
⎣Se desea medir el espesor de una pieza plano-paralela de acero.
En primer lugar, realizaremos una calibración con un campo de 0-150 mm, para ello
utilizaremos una pieza patrón de acero de 50 mm. Tomaremos 3 picos-ecos según la figura 8:
Pico
1
2
3
Distancia Sencilla
S1
S2
S3
Distancia Equivalente
50 mm
100 mm
150 mm
55
Situación en la Pantalla
16,7 divisiones
33,3 divisiones
50 divisiones
Figura 8
El factor de escala de esta calibración es K=3 (mm/división). A continuación situamos el
palpador sobre la superficie de la pieza, que previamente estará limpia y con medio acoplante, y
observamos lo que nos muestra la pantalla del equipo, como se ilustra en la figura:
En la pantalla se observa un pico que queda situado a 35 divisiones, realizando el producto de
K=3 por el número de divisiones, obtendremos que la pieza tiene un espesor de 105 mm.
−Se ha efectuado una calibración en una pieza patrón de acero, con objeto de medir el espesor de una
pieza de acero. Según la figura 9 adjunta, indique el valor del espesor de dicha pieza.
Figura 9
2.2.5.- Medida de la profundidad de un defecto dentro de una pieza.
Con la técnica de ultrasonidos es posible detectar defectos dentro del material que actúan como
reflectores de las ondas ultrasónicas.
El modo de operar no difiere en nada de la medida de un espesor, la diferencia estriba en que
además del pico-eco del espesor de la pieza aparecerán también los picos-ecos que provienen de los
defectos en el interior de la pieza.
Veamos un ejemplo
⎣En una inspección rutinaria, debemos comprobar que el espesor de una pieza es de 86 mm.
Figura 10
56
Para realizar esta inspección como siempre, debemos realizar una calibración sobre el equipo.
En este caso hemos elegido un valor de calibración de 0 a 100 mm, utilizando una pieza patrón de 50
mm y obteniendo un factor de escala 2 (mm/división) tal y como se presenta en la figura 10.
A continuación, pasamos a medir el espesor de la pieza que debe ser de 86 mm lo que supone
que debemos encontrar un pico-eco situado en la división 43. La aparición de otro pico-eco antes del
correspondiente al espesor nos indica que en el interior de la pieza existe un defecto y que se encuentra
a una profundidad de 60 mm, tal y como se ilustra en la figura 11.
Figura 11. Detección de un defecto.
2.3.- ENSAYO POR LÍQUIDOS PENETRANTES.
Es un método de ensayo no destructivo utilizado para localizar discontinuidades que se
encuentran en la superficie de un sólido o en un material no poroso. Estos líquidos actúan por el
principio de capilaridad, pudiendo difundirse por grietas superficiales de muy pequeño tamaño (0,1-0,4
micras). Se utiliza extensivamente para inspeccionar materiales férreos, no férreos, productos de
fundición, cerámicas, etc.
El gran desarrollo de la industria de las aleaciones ligeras durante los años que precedieron a la
Segunda Guerra Mundial dio origen en los EE.UU. a trabajos de investigación que condujeron, hacia
1942, a la puesta a punto y comercialización de un proceso por Líquidos Penetrantes fluorescentes
sensiblemente igual a los de que hoy día.
La inspección por Líquidos Penetrantes es muy sencilla de ejecutar, hay pocas limitaciones
debidas al material y su geometría, además de ser un método de bajo coste. El equipo es muy simple y
puede ser utilizado en muchas etapas del proceso productivo. No se necesita un entrenamiento
especializado para que una persona pueda desarrollar esta técnica. La mayor limitación de esta técnica
se encuentra en que sólo puede detectar grietas superficiales. Otro factor que puede inhibir la
efectividad de este ensayo es la rugosidad del material. Piezas extremadamente porosas pueden
producir falsas indicaciones.
2.3.1.-Principios Físicos.
La inspección por Líquidos Penetrantes depende principalmente de la habilidad del líquido
penetrante para mojar efectivamente la superficie de un sólido o material: fluyendo sobre la superficie
para formar una película uniforme, continua y migrar dentro de las cavidades que están abiertas a la
superficie. Estos defectos suelen ser muy pequeños y a menudo no son perceptibles en una inspección
visual. La habilidad para que un líquido fluya sobre una superficie y entre en las cavidades depende
principalmente de:
Limpieza de la superficie
Configuración y geometría del defecto
Tensión superficial del líquido
Habilidad del líquido para mojar la superficie.
57
2.3.2- Etapas del ensayo por Líquidos Penetrantes
Este apartado se centrará en el desarrollo del ensayo mediante Líquidos Penetrantes que
pueden ser eliminados mediante agua.
En el esquema se presentan las etapas principales:
Figura 12. Etapas del Ensayo por Líquidos Penetrantes.
Etapa A.- Limpieza y preparación previas de la superficie
La superficie a inspeccionar debe estar exenta de: agua, aceite, grasa, óxido, polvo etc.
Etapa B.- Aplicación del Liquido Penetrante
Consiste en aplicar el penetrante sobre la superficie del material a ensayar. Habrá que esperar un tiempo
para que el penetrante pueda alcanzar las discontinuidades.
Etapa C.- Eliminación de la superficie del Líquido Penetrante.
Tiene por objeto dejar libre la superficie del material de penetrante, evitando retirar de las
discontinuidades el líquido penetrante. Se pueden utilizar distintos líquidos como agua o disolventes
orgánicos. Para ello seguiremos las indicaciones del fabricante.
Etapa D.- Aplicación del Revelador.
El revelador es un polvo muy fino, normalmente de color blanco, que se puede aplicar por vía húmeda,
o directamente en seco. Actúa como "extractor" del penetrante, mostrando las posibles discontinuidades
sobre la pieza.
Etapa E.- Inspección Visual.
Una vez transcurrido un tiempo prudencial desde la aplicación del revelador, el operador puede
proceder a examinar el material ensayado para buscar posibles indicaciones producidas.
58
2.4.- ENSAYO POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.
El Ensayo por Partículas Magnéticas se basa en el empleo de campos magnéticos y de partículas
magnéticas para la detección de grietas superficiales en metales ferromagnéticos.
Las principales ventajas de esta técnica, son que permite localizar pequeñas grietas
superficiales. Las limitaciones se encuentran en que el material debe ser ferromagnético y la dirección
del campo magnético que se aplica debe ser perpendicular al defecto o discontinuidad, para ser
detectado. Otras limitaciones se encuentran en materiales con recubrimientos orgánicos (pinturas ) o
recubrimientos no ferromagnéticos.
2.4.1.- Fundamento del Ensayo por Partículas Magnéticas.
El ensayo por partículas magnéticas permite detectar discontinuidades e impurezas
superficiales, tales como inclusiones no metálicas en materiales ferromagnéticos. El fenómeno físico en
el que se fundamenta este ensayo es el siguiente:
Supongamos que una pieza de acero al carbono (material ferromagnético), se somete a la
acción de un campo magnético cuyas líneas de fuerza están orientadas según la flecha. Si existe una
discontinuidad en la superficie de la pieza cuyo plano sea perpendicular a las líneas de fuerza, estas
líneas de fuerza tenderán a salvarla como un obstáculo. Esto se traduce en una distorsión de las líneas
de fuerza tal como indica en la figura 13, en la que vemos cómo las líneas que están más próximas a la
superficie se ven obligadas a salir al exterior formando lo que llamaremos un "campo de fuga".
Figura 13. Campo de Fuga creado por discontinuidades en la pieza.
.
Si ahora extendemos sobre la superficie de la pieza partículas finas de un material
ferromagnético, tenderán a acumularse en los campos de fuga para facilitar el paso de las líneas de
fuerza. Si el plano de la discontinuidad es paralelo a las líneas de fuerza, no hay distorsión del campo y
no se formarán indicaciones.
Figura 14. Distribución de las líneas de campo magnético en un material ferromagnético.
La consecuencia directa de estos fenómenos es que las partículas actúan como detectores del
campo de fuga, cuya imagen aparece en la superficie de la pieza, y que se corresponde exactamente con
la trayectoria superficial de la discontinuidad.
2.4.2.- Equipos Empleados en Partículas Magnéticas.
Para generar la magnetización en la pieza a inspeccionar se pueden utilizar distintos equipos.
Para piezas cilíndricas y de grandes longitudes (ejes), se utilizan bobinas y el equipo más utilizado es
un yugo electromagnético, que puede adaptarse a la geometría de la pieza, como se muestra en la figura
15.
59
Figura 15. Yugo magnético.
2.4.3.-Etapas del ensayo por Partículas Magnéticas.
El ensayo consta básicamente de cuatro etapas:
1.Magnetización de la pieza en dos direcciones aproximadamente perpendiculares.
2.Aplicación de las partículas magnéticas.
3.Observación y anotación de la presencia de indicaciones.
4.Desmagnetización de la pieza.
Figura 16. Etapas del Ensayo por Partículas Magnéticas.
Entre los factores que afectan a la formación de las indicaciones cabe destacar:
•
•
•
•
•
•
Dirección e intensidad del campo magnético.
Forma y tamaño de la discontinuidad y orientación de la misma con respecto al campo.
Características de las partículas magnéticas y modo de aplicarlas.
Características magnéticas de la pieza que va a ser estudiada.
Forma y dimensiones de la pieza, que afectarán al campo magnético.
Estado de la superficie de la pieza, que afectará a la nitidez de las indicaciones.
Existe una variedad de equipos de ensayo por partículas magnéticas para la resolución de los
diversos problemas que se presentan en la práctica.
Según la finalidad del ensayo, las características de diseño de estos equipos podrán diferir
entre sí. Cada problema requiere una conjunción adecuada de las siguientes características básicas de
diseño: sistemas de magnetización, partículas magnéticas y tipos de sistemas de desmagnetización, a fin
de lograr la obtención de una respuesta propia de la discontinuidad existente en la muestra.
2.4.4.- Partículas Magnéticas.
60
Una vez magnetizada la pieza, el siguiente paso es aplicar sobre su superficie el revelador que
permita detectar los campos de fuga originados en las discontinuidades. Éste es el papel que
desempeñan las partículas magnéticas, cuyas propiedades varían dentro de una amplia gama según el
problema específico que se pretenda resolver.
Existen grandes variaciones en tamaño, forma, densidad, movilidad y color entre los diversos
tipos de partículas, si bien, en todos los casos, se trata de sustancias ferromagnéticas finamente
divididas.
Es fundamental conocer, lo más exactamente posible, las propiedades de las partículas puesto
que de su uniformidad dependerá que los ensayos sean reproducibles, incluso por diferentes
operadores.
2.4.4.1.- Efecto del tamaño de las Partículas Magnéticas.
Es evidente la importancia que el tamaño de las partículas magnéticas tiene en la obtención de
indicaciones; si son muy gruesas, serán necesarias fuerzas relativamente grandes para moverlas y, en
consecuencia, sólo los campos de fuga de gran intensidad podrán atraerlas y retenerlas, lo que significa
que las pequeñas discontinuidades no darán ninguna indicación. Si, por el contrario, son demasiado
finas, pueden adherirse a la superficie aunque no existan discontinuidades, lo que puede dar lugar a
errores en la interpretación. Las vías de aplicación de las partículas pueden ser dos, vía seca y húmeda.
2.4.4.2- Por vía seca.
En este caso, la sensibilidad para pequeñas discontinuidades aumenta, aunque con limitaciones, a
medida que disminuye el tamaño de las partículas. Si las partículas son extremadamente pequeñas (del
orden de algunas micras) pueden acumularse en depresiones e irregularidades superficiales, incluso en
piezas con un acabado fino, pudiendo llegar a revelar la presencia de huellas dactilares o de zonas muy
ligeramente engrasadas, a pesar de que no existan campos de fuga. No son, por tanto, útiles, puesto que
darían lugar a problemas de interpretación.
2.4.4.3.- Por vía húmeda.
En este caso, las partículas magnéticas se aplican en suspensión en un medio líquido
(queroseno o agua), lo que permite utilizar tamaños mucho más finos. Hay, además otro inconveniente
para los tamaños grandes, y es su movilidad que, prácticamente, se anula cuando la película líquida que
moja la pieza disminuye de espesor al cortar el riego de suspensión.
Las partículas gruesas tienen, además, cierta tendencia a alinearse formando cadenas que
tienden a deformarse debido a las fuerzas de arrastre a que las somete el líquido, pudiendo originar
indicaciones confusas o falsas.
2.4.5.- Cruz de Belthold
La cruz de Belthold es un dispositivo muy sencillo, donde podemos conocer la dirección de la
magnetización efectuada sobre una pieza y la intensidad de esta magnetización. En la figura 17 se
muestra un esquema de este dispositivo:
61
Figura 17. Cruz de Belthold
El cilindro de Fe posee cuatro cortes que simulan a defectos superficiales en la forma de una
cruz. El cilindro de Fe está cubierto por un anillo de latón, el cual puede variar la distancia de
separación de la pieza girándolo. Cuando la pieza a inspeccionar se magnetiza se sitúa la cruz entre el
yugo magnético y se proyectan (generalmente con una aerosol) las partículas magnéticas. Las partículas
que caigan sobre el anillo superior experimentarán el campo de fuga creado por el anillo de Fe, en
forma de cruz. Se observará como aparece una línea sobre el anillo superior, perpendicular a las líneas
de magnetización. Girando el anillo móvil llegará un momento en que desaparecerá la línea indicando
qué intensidad tiene el campo magnético. Para ello iremos variando la intensidad en el yugo magnético.
2.5.-ENSAYOS POR CORRIENTES INDUCIDAS.
Este ensayo se utiliza en la detección de defectos superficiales en piezas metálicas cuya
conductividad eléctrica está comprendida entre 0,5 y 60 (m / Ω mm2) y está basado en el principio de
inducción electromagnética. Con este ensayo también se podrá, en algunos casos, determinar la
profundidad de la grieta.
Las mayores ventajas se centran en la simplicidad de realización del ensayo y en la gran
variedad de materiales metálicos que pueden ser inspeccionados.
2.5.1.- Principio del Ensayo por Corrientes Inducidas.
La bobina o solenoide que forma parte del palpador, es recorrida por una corriente alterna de
elevada frecuencia que origina un campo magnético que, a su vez, induce corriente en la superficie de
la pieza, según el efecto Foucault, como se ilustra en la figura 18.
62
Figura 18. Corrientes Inducidas en la superficie de un material conductor.
Estas corrientes inducidas en la pieza ejercen su influencia sobre las características eléctricas
de la bobina y, más concretamente, sobre su impedancia. Cuando existen defectos en la superficie de la
pieza, la distribución de las corrientes inducidas resulta alterada en las zonas defectuosas, originándose
un cambio de impedancia en la bobina que se traduce en un cambio de la indicación de la aguja en la
escala del defectómetro.
2.5.2- Efecto de borde
En los ensayos por corrientes inducidas mediante palpadores, se presentan, con frecuencia,
problemas en el examen de muestras de tamaño reducido, en la exploración de zonas próximas al borde
de la muestra (taladros, chaveteros, ranuras, etc.) o de superficies límite entre dos materiales de distinta
naturaleza, debidos al denominado efecto de borde.
Este efecto puede llegar a producir indicaciones de tal amplitud, que enmascaren las
indicaciones propias del ensayo, produciéndose una medida errónea. Por lo tanto, hay que evitar el
realizar medidas en todas aquellas piezas que tengan la geometría o componentes anteriormente
descritos.
2.5.3.-Equipos empleados en inspección por corrientes inducidas.
Para la realización del ensayo utilizaremos el equipo denominado defectómetro, el cual consta
de un palpador que tiene en su interior una bobina, y del equipo principal como que se presenta en la
figura 19.
63
Figura 19. Defectómetro utilizado en los ensayos por Corrientes Inducidas.
Se proponen realizar los ejercicios del capítulo 8 de Ejercicios de Autoevaluación.
4.1.- PRÁCTICA DE ENSAYOS POR ULTRASONIDOS
⇑ MEDIO ACOPLANTE
a.- Sitúe el palpador denominado “K 10 K” exento de medio acoplante, sobre la superficie de la pieza
patrón V1 previamente limpia. Observe la pantalla del equipo de ultrasonidos.
b.- A continuación repita la misma operación pero añadiendo medio acoplante entre el palpador y la
pieza patrón. ¿Qué diferencia encuentra entre utilizar o no medio acoplante?
⇑ CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DE ULTRASONIDOS CON UN PALPADOR NORMAL DE 0-50 MM.
a.- Sitúe el palpador denominado “K 10 K” sobre la superficie de la pieza patrón V1.
b.- Elija un valor de nivel de campo en el equipo de 50 mm, y con ayuda de los mandos Z e Y, sitúe el
primer eco en la mitad de la escala de la pantalla y el segundo al final.
c.- Represente lo que observa en la pantalla una vez que haya finalizado la calibración.
d.- ¿Qué espesores podría medir con ayuda de esta calibración?
e.- Si tuviera que inspeccionar una pieza con un espesor de 21 mm, ¿qué pieza patrón utilizaría?, ¿qué
calibración realizaría? y ¿qué valor de campo seleccionaría en el equipo?
⇑ MEDIDA DEL ESPESOR DE LA PIEZA PATRÓN V1
a.-Sitúe el palpador K 10 K, en la pieza 0 en la zona marcada con una X, cuyo espesor es igual a 20
mm. Elija el valor de nivel de campo 10 mm en el equipo, y proceda a calibrar de 0-40 mm.
b.- Calcule el espesor de la pieza patrón V1 y represente lo que observa en la pantalla.
64
⇑ MEDIDA DEL ESPESOR DE LA PIEZA 1
a.- Calibre el equipo de ultrasonidos de 0-50 mm, utilizando el palpador K 10 K, la pieza patrón V1 y
seleccionando un valor de nivel de campo de 50 mm.
b.- Calcule el espesor de la pieza 1 y represente lo que observa en la pantalla.
⇑ MEDIDA DE LA LONGITUD DE LA PIEZA 2
a.- Calibre el equipo de ultrasonidos de 0-182 mm ó 0-200 mm, utilizando el palpador K 10 K, la pieza
patrón V1 y seleccionando un valor de nivel de campo de 50 mm.
b.- Calcule la longitud de la pieza 2 y represente lo que observa en la pantalla.
⇑CROQUIS DE LA PIEZA 3
a.- Calibre el equipo de ultrasonidos de 0-50 mm, utilizando el palpador K 10 K, la pieza patrón V1 y
seleccionando un valor de nivel de campo de 50 mm.
b.- Recorra la superficie de la pieza 3 con el palpador K 10 K, y efectúe un croquis de la pieza.
4.2.- PRÁCTICA DE LÍQUIDOS PENENTRANTES
⇐ La superficie de la pieza a inspeccionar y sus áreas adyacentes, deberá estar totalmente limpia y
seca, exenta de cualquier revestimiento exterior que pueda disminuir la acción del penetrante (pintura,
polvo, grasa, aceites, carbonilla y óxidos, etc..). Si la superficie no se encuentra en este estado, se
limpiará con agua, acetona o con decapantes que el fabricante de los líquidos recomiende y se dejará
secar, al menos, 5 minutos.
⇐ Se aplica el penetrante rojo por proyección mediante pulverización o aerosol. Se deberá dejar toda
la superficie a examinar totalmente cubierta de penetrante. El tiempo de acción o penetración del
líquido penetrante será de 10 minutos como mínimo, para temperaturas comprendidas entre 16 y 50°C.
⇐ Una vez transcurrido el tiempo de penetración requerido, se eliminará el penetrante en exceso por
medio de agua corriente, tal y como indique el fabricante del penetrante. Habrá que tener cuidado en
eliminar sólo el penetrante en exceso de la superficie.
65
⇐ Una vez limpia la superficie a inspeccionar, se aplicará el revelador por proyección del mismo
mediante el aerosol. El recipiente del aerosol se deberá agitar fuertemente inmediatamente antes de la
proyección, para asegurar que el polvo se encuentra uniformemente distribuido en el vehículo de
suspensión. Una vez bien agitado, hay que pulverizar, a cierta distancia de la superficie de la pieza, para
que se consiga un depósito de revelador en forma de capa fina y uniformemente. La interpretación final
se realizará después de que el revelador haya permanecido depositado unos minutos.
⇐ Las indicaciones relevantes se clasificarán en: Lineales o Redondeadas. Las indicaciones lineales
son aquellas cuya longitud es superior a tres veces su anchura, en caso contrario se considerarán
redondeadas. Se considerarán inaceptables las siguientes indicaciones:
a)
b)
Cualquier indicación lineal que pueda ser interpretada como grieta, al margen de su longitud.
Cualquier indicación redondeada con alguna dimensión superior a:
c)
1,6 mm para materiales de espesor inferior a 8 mm.
20 % del espesor para materiales de espesor de 8 a 16 mm
3,2 mm para materiales de espesor superior a 16 mm
Cuatro o más indicaciones redondeadas en línea con una separación menor de 1,6mm.
La aplicación de los distinos líquidos utilizados: disolventes orgánicos, líquidos penetrantes y
revelador, deberá realizarse en una vitrina de gases.
4.3.- PRÁCTICA DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.
⇑ Tome el yugo magnético, y adapte los brazos a la geometría de la pieza a ensayar, para que haya el
máximo contacto entre el yugo y la pieza. Magnetice durante unos 5 segundos en una dirección.
⇑ Vuelva a realizar las misma operación pero en una dirección aproximadamente perpendicular a la
anterior.
⇑ Añada Partículas Magnéticas, por toda la superficie de la pieza que se está inspeccionando.
⇑ Compruebe con ayuda de la cruz de Belthold las direcciones de las líneas de magnetización.
Recuerde que las líneas en la cruz de Belthold indican las direcciones perpendiculares en la líneas de
magnetización.
⇑ Con ayuda de la lupa con luz ultravioleta, inspeccione la pieza y observe dónde se encuentran los
indicadores de los defectos ( partículas magnéticas fluorescentes).
No mire a la luz ultravioleta que emite la lámpara
Evite la exposición de luz ultravioleta en cualquier zona de su cuerpo(cara, manos, brazos, etc..)
No active el yudo magnético si no está en contacto con la pieza.
4.4- PRÁCTICA DE CORRIENTES INDUCIDAS.
⇐ Encendido del defectómetro
Una vez conectado el equipo por medio del botón 1 (ver figura l9), se pulsa el botón 2 para
comprobar el estado de carga de las pilas, las cuales estarán en buen estado de funcionamiento si la
aguja del medidor 10 queda situada dentro de la zona verde de la escala.
⇐ Ajuste de la Escala
A continuación, y una vez conectado el palpador 14 al equipo en la conexión correspondiente
(8), se pulsa uno de los botones 3, 4, ó 5 según que el material sea férreo, no férreo o austenítico.
66
Con el mando de sensibilidad 11 situado en la posición 1, se apoya el palpador perpendicularmente
sobre la pieza y se lleva la aguja del medidor al punto 0 por medio del "mando del punto 0" (13).
⇐ Ajuste del equipo
Se levanta a continuación el palpador y la aguja experimentará una desviación que debe
corregirse mediante el mando de compensación de distancia "lift-off" (12). Se lleva de nuevo la aguja a
0 mediante el "mando del punto 0" mientras permanece el palpador apoyado sobre la pieza. Una vez
más, se levanta el palpador de la pieza y se corrige la desviación de la aguja repitiendo la operación
tantas veces como sea necesario hasta que no se produzca desviación de la misma al apoyar o levantar
el palpador de la pieza. Una vez realizado el ajuste, el equipo está ya dispuesto para la realización del
ensayo.
⇐ Verificación del Defectómetro.
La verificación se realiza desplazando el palpador sobre la pieza. Cuando el palpador pasa por encima
de un defecto, la aguja se desvía hacia la derecha. La magnitud de la desviación de la aguja puede
ajustarse con el mando de sensibilidad (11).
⇐ Construcción de la recta de calibrado.
Utilizando una pieza con grietas de profundidad conocida, pudiendo establecerse entonces una sencilla
proporcionalidad (recta de calibrado) entre las divisiones que se desvía la aguja en la escala y la
profundidad de la grieta. Represente en la gráfica adjunta la recta de calibrado obtenida (figura 20).
⇐ A continuación sitúe el palpador en
la grieta de la pieza 1 y calcule
utilizando la recta de calibrado, la
profundidad de las distintas grietas.
Figura 20. Representación de la curva de Calibrado.
5.- BIBLIOGRAFÍA.
1.
2.
3.
ASM International. ASM Handbook. Desk Edition. Second Edition. 1998. Pags.1254-1289.
F. Ramírez y otros. Introducción a los Métodos de Ensayos No Destructivos. 3ª Edición.
INTA.1980.
M.D. Bermúdez y otros: Prácticas de Ciencia de Materiales. Universidad de Murcia. 1991.
67
Unidad 6
Metalografía
1.- OBJETIVOS
+
+
+
+
El alumno al término de la unidad deberá:
Conocer las partes principales del Microscopio Óptico
Comprender la utilidad de un examen metalográfico.
Comparar y distinguir la utilidad de un examen macroscópico y microscópico.
Conocer las etapas de la preparación de muestras metalográficas.
2.1.- INTRODUCCIÓN.
El término “Metalografía” designa la totalidad de las técnicas que permiten observar
visualmente la estructura de los materiales; normalmente suele emplearse el término “Materialografía”;
más genérico, por cuanto incluye también a otros materiales no metálicos. La observación visual puede
efectuarse:
Directamente: Examen Macrográfico
Utilizando un Microscopio Óptico: Metalografía Óptica
Utilizando un Microscopio Electrónico: Metalografía Electrónica
2.2.- EXAMEN MACROGRÁFICO.
Los ensayos denominados macrográficos se diferencian de los microscópicos, no sólo porque
se emplean pocos aumentos (usualmente menos de 10), sino también porque se observan grandes áreas
de la pieza en lugar de zonas microscópicas. La finalidad del examen macrográfico es detectar
porosidades, grietas, inclusiones, sentido de laminación, capas carburadas, soldaduras, etc., sobre toda
una sección o partes seleccionadas de una pieza.
Este tipo de examen sobre los materiales son muy utilizados como métodos de control en la
fabricación de acero y de los metales y aleaciones no férreos. Las técnicas macrográficas son en
principio muy sencillas, pero la interpretación de sus resultados resulta a veces muy difícil y requiere de
gran práctica y experiencia.
Para ilustrar este tipo de técnica, utilizaremos el ensayo denominado “Impresión Baumann”,
que determina la posición de inclusiones de sulfuro en un acero.
2.2.1.- Fundamento de la Impresión Baumann.
En este ensayo podemos observar la distribución de las inclusiones sulfurosas que se ponen de
manifiesto a través del papel fotográfico, cuando se desprende localmente ácido sulfhídrico. Este ácido
68
reacciona con el bromuro de plata del papel fotográfico, pudiendo observar un viraje a color sepia del
papel en la zonas de la muestra donde se encuentran las inclusiones sulfurosas. Las reacciones químicas
que intervienen en el proceso son las siguientes:
H2SO4 + Fe Æ FeSO4 + H2S
H2SO4 + Mn Æ MnSO4 + H2S
H2S + 2 AgBr Æ Ag2S + 2 HBr
El examen de la distribución de las inclusiones permite juzgar el grado de homogeneidad del
metal examinado en la zona de corte. La impresión Baumann también revela las heterogeneidades
químicas (segregaciones) y, eventualmente, ciertas heterogeneidades físicas (fisuras y porosidades).
2.2.2.- Aplicaciones de la Impresión Baumann.
Este examen se aplica a aceros no aleados o aleados (contenido en azufre inferior a 0,10%) así
como a las fundiciones. En el caso de aceros con un contenido en azufre superior al 0,10% el ensayo
puede efectuarse con una disolución de ácido sulfúrico muy diluida.
El ensayo Baumann es esencialmente cualitativo y no podemos afirmar la cantidad de azufre
que puede contener un acero. La experiencia dice que la cantidad de zonas ennegrecidas no siempre es
proporcional a la cantidad de sulfuros presentes en el metal.
3.- METALOGRAFÍA ÓPTICA.
Mediante un desbaste seguido de un pulido cuidadoso se obtiene una superficie especular. Esta
superficie plana y pulida se contrasta inmediatamente atacándola con un reactivo químico adecuado que
crea un microrrelieve o zonas de oxidación.
La superficie se observa al microscopio óptico de reflexión pues los metales son opacos.
Existen dos tipos, uno lleva la platina por debajo de los objetivos denominándose microscopio vertical y
el otro por encima denominándose microscopio invertido.
Figura 1. Microscopios Ópticos Metalográficos invertido y vertical respectivamente.
El haz luminoso del microscopio producido por el filamento (1)
atraviesa una serie de lentes (2-4). El diafragma (3) permite regular la
cantidad de luz. El diafragma de campo (5) reduce las reflexiones
parásitas. Se refleja en el espejo (6), atraviesa el objetivo (7) e incide sobre
la muestra (8) que lo reflejará y atravesará de nuevo el objetivo y espejo
(6). Un prisma (9) lo desvía hacia el ocular para su observación con la
vista. Si se separa el prisma, el haz se focalizará mediante la lente (11)
sobre una película fotográfica o una pantalla (12).
Figura 2. Esquema del camino óptico de un microscopio metalográfico
El poder separador o resolución de un microscopio depende de la longitud de onda de la luz
utilizada, del índice de refracción y apertura numérica de la óptica. En condiciones óptimas, para una
longitud de onda en el rango del visible (λ=400 nm) la resolución es de 150 nm=0,15 µm.
69
METALOGRAFÍA
2.4.- TÉCNICAS DE PREPARACIÓN DE MUESTRAS METALOGRÁFICAS.
Las etapas de la preparación de las muestras metalográficas son las siguientes:
a)
b)
c)
d)
Desbaste de la superficie de la muestra.
Pulido Mecánico o Electroquímico.
Ataque Químico o Electroquímico.
Observación al Microscopio Metalográfico.
2.4.1.- Desbaste.
La preparación de la muestra comienza con un desbaste grosero sobre papel abrasivo de granos
cada vez más finos, acabando con 1200. La dirección del desbaste se gira 90º grados al pasar de un
papel al siguiente. Cambiaremos de papel en el momento en que no se observen las marcas producidas
por el anterior papel abrasivo, con objeto de eliminar cualquier deformación plástica. Algunos papeles
permiten lubricar con agua o incluso con parafinas.
2.4.2.- Pulido Mecánico.
La superficie de la probeta, desbastada hasta el grado más fino, y limpia, se pasa ahora por un
fieltro cargado de polvo abrasivo. Estos abrasivos se presentan en suspensiones como pastas de polvo
de diamante, alúmina o suspensiones de magnesia. Los fieltros de pulido suelen ir adheridos a unos
discos que giran. La muestra antes de ser pulida se ha embutido en una resina generalmente de tipo
acrílica para favorecer la operación del pulido. En la figura 3 se pueden observar unas imágenes de los
discos y las muestras preparadas para pulir.
Figura 3. Discos de Pulido y Muestras Embutidas en Resina Acrílica.
El pulido se suele efectuar con una máquina denominada pulidora (Figura 4). Una pulidora
consta básicamente de dos discos que giran en sentido contrario y sobre los que se aplica una presión.
Mediante esta máquina podremos controlar todas las variables del proceso de pulido: velocidad de giro
de los discos, tiempo y presión. La muestra situada en un disco se apoya sobre el disco de pulido con
una presión girando ambos discos en sentido contrario, por lo que la muestra irá describiendo círculos
con el objeto de realizar un pulido en todas las direcciones para evitar arrastres entre fases de distinta
dureza , o de inclusiones.
Figura 4. Pulidora Mecánica.
70
2.4.3.- Ataque.
El ataque se efectúa generalmente por impregnación o inmersión en un líquido corrosivo
(ataque químico) o bien la muestra se conecta como ánodo en un baño electrolítico apropiado,
efectuándose el denominado ataque electroquímico.
Antes de atacar, la probeta debe estar desengrasada y limpia. Esto es importante especialmente
en aquellas probetas pulidas con pasta de diamante, ya que los lubricantes y el medio de estas pastas
suelen estar constituidos por sustancias grasas. Un lavado posterior con agua limpia seguido de un
secado con alcohol, dejará la probeta dispuesta para ser atacada.
Una vez finalizado el ataque químico o electroquímico se lavará de nuevo con abundante agua
y se secará añadiendo alcohol, con este proceso se ha generado una imagen especular y la muestra
estará preparada para su observación en el microscopio,.
Figura 5. Pulido y ataque de una muestra.
2.5.- EJEMPLOS DE PREPARACIONES METALOGRÁFICAS.
Mediante el estudio de la microestructura de la preparación metalográfica, podemos conocer
con bastante aproximación las propiedades de los materiales, su proceso de formación, origen y
prevención de posibles defectos, soluciones a los problemas de corrosión, examen de soldaduras y
procesos de recubrimientos de superficies, etc.
A continuación estudiaremos algunos ejemplos de distintos materiales.
2.5.1.- Aceros.
A la vista del diagrama parcial (zona eutectoide) Fe/C estudiaremos las transformaciones más
importantes a través de la observación de las muestras metalográficas.
Figura. 6.- Diagrama Fe/C.
71
METALOGRAFÍA
⎣ Acero bajo en Carbono (0,05%).
La figura muestra la estructura de un acero obtenido por enfriamiento lento desde 700ºC. Los
granos son de ferrita y en los límites de estos granos se han formado pequeñas porciones de cementita
(Fe3C) terciaria. La imagen está tomada a 500 aumentos.
Figura 7. Acero 0,05%C. 500X
⎣ Acero Hipoeutectoide con 0,15 %C. Influencia de la velocidad de enfriamiento.
La primera de las figuras muestra un acero enfriado lentamente, presenta granos primarios de
ferrita (blanco) con inclusiones, perlita(oscura) y cementita terciaria (gris) en los bordes finos del grano.
Figura 8. Acero Hipoeutectoide 0,15% C. 500X
En la segunda micrografía se observa el mismo acero que el anterior pero con una velocidad de
enfriamiento mayor. La estructura que se obtiene es de tipo acicular de la ferrita (blanca), perlita
(oscura) y martensita (más clara).
Figura 9. Acero Hipoeutectoide 0,15% C. 500X
⎣ Acero Eutectoide 0,8% C. Influencia del Tratamiento Térmico aplicado.
72
Un acero eutectoide enfriado lentamente, muestra perlita laminar compuesta de láminas
alternadas de ferrita(blanca) y cementita (oscura). La separación laminar en la microfotografía varía
según la orientación de los paquetes laminares de perlita con relación a la superficie de pulido.
Figura 10. Acero Eutectoide 0,8% C. 1000X
2.5.2.- Fundiciones.
En los ejemplos que se muestran la composición de estas aleaciones es la siguiente: Figura 11
(3,26%C; 1,75%Si; 0,06%P; 0,11%S; 0,63%Mn; 0,52%Cr; 0,98% Mo; 0,064%Sn) y en la figura 12
(3,40%C; 2,51%Si; 0,067%Mn).
Ambas aleaciones Fe/C se denominan genéricamente Fundiciones ya que su composición en
Carbono está por encima del 2. En la figura 11 se observa grafito (color negro) que se manifiesta en
forma alargada, denominándose esta aleación fundición gris. En el segundo caso (figura 12) el análisis
de C y Si es muy similar sin embargo el grafito aparece en este caso en forma nodular y esto es debido a
la presencia de Mg en su composición que favorece la aglutinación, apareciendo en forma de nódulos.
Figura 11. Fundición Gris.
73
METALOGRAFÍA
Figura 12. Fundición Nodular.
2.5.3.- Uniones Soldadas.
Un método efectivo para identificar y observar la estructura de una soldadura es mediante una
observación metalográfica. Mediante un proceso de soldadura vamos buscando el unir do2s piezas de
un metal y crear un continuidad metálica en la unión. En la figura 13 podemos observar la progresión
dentrítica del material aportado en la soldadura de dos piezas de Cu 100.
Figura 13. Preparación Metalográfica de una unión soldada de Cu 100.
2.5.4.-Corrosión.
Mediante las técnicas metalográficas podemos estudiar procesos de corrosión en metales. En
los ejemplos que se muestran se observa un proceso de corrosión intercristalina (figura 14) y en el
segundo caso un típico ejemplo de corrosión por picaduras (figura 15).
Figura 14. Corrosión Intercristalina en un acero inoxidable reflactario AISI 310.
74
Figura 15. Corrosión por picaduras en un Acero Inoxidable AISI 347.
2.5.4.- Observación de Capas Superficiales.
Utilizando la metalografía podemos observar procesos que hayan transcurrido en la superficie
de los materiales. Estos procesos pueden ser provocados para crear una capa adicional que pueda
proteger, mejorar el desgaste o pueden estar involucrados procesos perniciosos como la descarburación.
En el primer ejemplo la muestra ha sido sometida a un proceso de nitruración para crear una capa muy
dura , resistente al desgaste y a la fatiga. Se observa un capa blanca nitrurada en la superficie, con una
profundidad de 0,84 micras de espesor (figura 16).
Figura 16. Capa de Nitruración realizada sobre un acero a 524 ºC.
El acero 1018 estuvo sometido a un proceso térmico que llevó a la pérdida de carbono en la
superficie (descarburización). Se observa una capa blanca de ferrita en la superficie sobre una matriz de
perlita.
75
METALOGRAFÍA
Figura 17. Acero 1018 descarburado en la superficie.
Se propone la realización de los ejercicios del capítulo 9 de Ejercicios de Autoevalución.
4.3.- PRÁCTICA DE IMPRESIÓN BAUMANN
⇑Sumerja
el papel fotográfico durante 5 minutos en una solución de ácido sulfúrico al 2% a
temperatura ambiente, y escúrralo.
⇑ Aplique el papel todavía húmedo sobre la cara de la muestra a ensayar, previamente pulida, limpia y
desengrasada, evitando cualquier tipo de burbuja entre el papel y el material.
⇑ A continuación sitúe la probeta con el papel fotográfico sobre la prensa manual y mantenga
presionado durante un minuto.
⇑ Desprenda el papel de la muestra sin deslizarlo sobre la cara de la muestra y lave con agua corriente
durante 10 minutos y ponga el papel en un baño de fijador (hiposulfito sódico) durante otros 10
minutos. Finalmente lave de nuevo con agua y séquelo.
5.- BIBLIOGRAFÍA.
1.
2.
3.
T. Fernández. Metalografía de Aceros y Fundiciones. Gráficas Urania S.A. 1988.
F.A. Calvo. Metalografía Práctica. Editorial Alhambra.1971.
ASM International. ASM Handbook. Vol 7. Eighth Edition. 1977.Pags. 1356-1368
76

Unidad 3 Tratamientos Térmicos - Departamento de Ingeniería de

Transcripción

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