Ensayos de Materiales Metálicos

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN-TACNA FACULTAD DE INGENIERÍA

Tacna- Perú 2015

Ensayos de Materiales Metálicos

CONTENIDO INTRODUCCIÓN Pág. 1

UNIDAD I GENERALIDADES Y NORMATIVIDAD NORMATIVIDAD PARA ENSAYOS DE MATERIALES

1

1.1.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES

2

1.2.

NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES

3

1.2.1.

Normas Nacionales

3

1.2.2.

Normas Internacionales.

7

1.3.

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MATERIALES

9

1.4.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS

11

1.5.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES METÁLICOS

13

1.6.

CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES METÁLICOS

14

UNIDAD II

15

ENSAYOS DESTRUCTIVOS DESTRUCTIVOS

15

2.2. DUREZA

16

2.2.1. Definición de dureza

16

2.2.2. Macrodureza

17

2.2.3. Método Dureza Martens

18

2.2.4. Método Dureza Brinell

19

2.2.5. Dureza Vickers

24

2.2.6. Dureza Rockwell

27

2.2.7. Microdureza (dureza por microindentación)

31

2.3. ENSAYOS DINÁMICOS

35

2.3.1. Durómetro portátil (HL)

36

Norma: ASTM A-956-02, DIN 50156

36

2.3.2. Método Shore (HS)

38

2.3.3. Método Poldi (HBP)

39

2.4. ENSAYO DE TRACCIÓN

40

2.4.1. Objetivo del ensayo de tracción

41

2.4.2. Probeta para ensayo de tracción

41

2.4.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de tracción

43


CONTENIDO INTRODUCCIÓN Pág. 1

UNIDAD I GENERALIDADES Y NORMATIVIDAD NORMATIVIDAD PARA ENSAYOS DE MATERIALES

1

1.1.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES FUNDAMENTALES

2

1.2.

NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES

3

1.2.1.

Normas Nacionales

3

1.2.2.

Normas Internacionales.

7

1.3.

CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MATERIALES

9

1.4.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS

11

1.5.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES METÁLICOS

13

1.6.

CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES METÁLICOS

14

UNIDAD II

15

ENSAYOS DESTRUCTIVOS DESTRUCTIVOS

15

2.2. DUREZA

16

2.2.1. Definición de dureza

16

2.2.2. Macrodureza

17

2.2.3. Método Dureza Martens

18

2.2.4. Método Dureza Brinell

19

2.2.5. Dureza Vickers

24

2.2.6. Dureza Rockwell

27

2.2.7. Microdureza (dureza por microindentación)

31

2.3. ENSAYOS DINÁMICOS

35

2.3.1. Durómetro portátil (HL)

36

Norma: ASTM A-956-02, DIN 50156

36

2.3.2. Método Shore (HS)

38

2.3.3. Método Poldi (HBP)

39

2.4. ENSAYO DE TRACCIÓN

40

2.4.1. Objetivo del ensayo de tracción

41

2.4.2. Probeta para ensayo de tracción

41

2.4.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de tracción

43


2.4.4. Curva tensión-deformación

44

2.4.5. Datos obtenidos del ensayo de tracción

45

2.5. ENSAYO DE COMPRESIÓN COMPRESIÓN

48

2.5.1. Objetivo del ensayo de compresión

48

2.5.2. Probeta para el ensayo de compresión

48

2.5.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de compresión

49

2.5.4. Datos obtenidos del ensayo de compresión

50

2.6. ENSAYO DE DOBLADO

51

2.6.1. Objetivo del ensayo de doblado

51

2.6.2. Probeta para el ensayo de doblado

51

2.6.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de doblado

52

2.6.4. Datos obtenidos del ensayo de doblado

52

2.7. ENSAYO DE RESISTENCIA AL IMPACTO

52

2.7.1. Objetivo del ensayo de impacto

53

2.7.2. Métodos de ensayos de impacto

53

2.7.3. Probeta para el ensayo de impacto

54

2.7.4. Procedimiento para efectuar el ensayo de impacto

55

2.7.5. Datos obtenidos del ensayo de impacto

56

2.8. ENSAYO DE CIZALLADURA

57

2.8.1. Objetivo del ensayo de cizalladura

57

2.8.2. Probeta para el ensayo de cizalladura

57

2.8.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de cizalladura

57

2.8.4. Datos obtenidos del ensayo de cizalladura

58

2.9. ENSAYO DE TORSIÓN

58

2.9.1. Objetivo del ensayo de torsión

59

2.9.2. Probeta para el ensayo de torsión

59

2.9.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de torsión

59

2.9.4. Datos obtenidos del ensayo de torsión

60

2.10. ENSAYO METALOGRÁFICO METALOGRÁFICO

60

2.10.1. Objetivo del ensayo metalográfico

60

2.10.2. Probeta para el ensayo metalográfico

61

2.10.3. Procedimiento para efectuar el ensayo metalográfico

65

2.10.4. Datos obtenidos del ensayo metalográfico

67


2.11. ENSAYOS TECNOLÓGICOS

69

2.11.1. Definición de ensayos tecnológicos

69

2.11.2. Ensayo a la lima

69

2.11.3. Ensayo a la chispa

69

2.11.4. Ensayo de embutición

73

UNIDAD III

75

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

75

3.1. DEFINICIÓN DE ENSAYO NO DESTRUCTIVO (END), APLICACIÓN

76

3.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVO

76

3.3. CLASIFICACIÓN

77

3.4. ETAPAS DE LA INSPECCIÓN

78

3.5. INSPECCIÓN VISUAL

79

3.5.1. Objetivo de la inspección visual

79

3.5.2. Procedimiento para efectuar la inspección visual

79

3.5.3. Datos obtenidos de la inspección visual

80

3.6. RÉPLICAS METALOGRÁFICAS

80

3.6.1. Objetivo del ensayo por réplicas metalográficas

80

3.6.2. Procedimiento para efectuar la réplica metalográfica

80

3.6.3. Datos obtenidos en la réplica metalográfica

81

3.7. LÍQUIDOS PENETRANTES

82

3.7.1. Fundamento del método

82

3.7.2. Clasificación de los líquidos penetrantes

85

3.7.3. Procedimiento del ensayo con líquidos penetrantes

85

3.7.4.

Uso del ensayo con líquidos penetrantes

87

3.7.5.

Información obtenida con el ensayo de líquidos penetrantes

88

3.8. PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

89


89

3.8.2. Clasificación de las partículas magnéticas

92

3.8.3. Procedimiento del ensayo por partículas magnéticas

92

3.8.4. Uso del ensayo de partículas magnéticas

94

3.8.5. Información obtenida con el ensayo de partículas magnéticas

94

3.9. ELECTROMAGNETISMO (corrientes Eddy) 3.9.1. Fundamento del método

95 96


3.9.2. Procedimiento del ensayo por electromagnetismo

98

3.9.3. Uso del ensayo de electromagnetismo

99

3.9.4. Información obtenida con el ensayo de electromagnetismo 3.10. ULTRASONIDOS

100 100


102

3.10.2. Procedimiento del ensayo por ultrasonido

109

3.10.4. Información obtenida con el ensayo de ultrasonido

115

3.11. RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

118


120

3.11.2. Clasificación de la radiografía industrial

123

3.11.3. Procedimiento del ensayo por radiografía industrial

125

3.11.4. Uso del ensayo de radiografía industrial

126

3.11.5. Información obtenida con el ensayo de radiografía industrial

127

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

131


INTRODUCCIÓN

Dentro de la Ingeniería de Materiales se pueden distinguir cinco grandes grupos de materiales muy útiles y que se producen en enormes cantidades: Metales, polímeros, cerámicos, vidrios y materiales compuestos. Esta clasificación de los materiales es un tanto arbitraria pero se basa principalmente en el tipo de enlace predominante en el material. Los materiales cerámicos , son principalmente iónicos, los materiales. Los polímeros, tienen enlaces covalentes dentro de las macromoléculas y entre cadenas los enlaces predominantes son el de Van der Waals o puente de hidrógeno. Los vidrios, son materiales iono-covalentes pero amorfos, es decir, no presentar orden de sus constituyentes (átomos e iones) a larga distancia. Como ejemplos de materiales vítreos derivados de la sílice son las ventanas, material de vidrio de los laboratorios, etc. Materiales compuestos , son aquellos que contienen dos tipos de materiales o más diferentes, generalmente una parte covalente y otra iónica. Por ejemplo podemos destacar materiales compuestos formados por una parte cerámica (generalmente óxidos) con uniones covalentes y un polímero o radical orgánico. Se suelen utilizar mucho en la industria electrónica como recubrimiento de materiales sensibles por una capa orgánica. Los metales y aleaciones, (combinaciones de metales con otros elementos, metálicos o no metálicos pero donde se mantienen las propiedades metálicas del elemento estructural) como aceros inoxidables, aleaciones de cobalto, cromo, molibdeno, tántalo, aceros para herramientas, etc.

Debido a la diversidad de materiales que existen en la actualidad. Los ensayos utilizan equipos específicos para cada grupo de materiales; basados en los mismos principios fundamentales. Por lo que, en este volumen se da el objetivo, el procedimiento y aplicación de la información obtenida de los ensayos de mayor uso que se aplica a los materiales metálicos. Con el ensayo de los materiales deben determinarse los valores de resistencia, verificarse las propiedades y establecerse el comportamiento de aquellos bajo l a acción de las influencias externas. El factor económico juega un rol de importancia en el campo de la fabricación en general, imponiendo un perfecto conocimiento de los materiales a utilizar, de manera de seleccionarlos para cada fin y poder hacerlos trabajar en el límite de sus posibilidades, cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento.


En los ensayos físicos se determinan generalmente la forma y dimensiones de los cuerpos, su peso específico y densidad, contenido de humedad, etc., y en los ensayos mecánicos la resistencia, elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad, fragilidad, etc. El ensayo de material, consiste en el examen o comprobación de una o más propiedades o características de un material, producto, elemento estructural. Determinar sus dimensiones, defectos, etc., que sirven para formar un juicio sobre dichas características o propiedades. Cuando se proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, se define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de materiales y además, algunos de ellos se pueden variar sus características por tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas en el material. Hay dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos. Se intenta de esta manera simular las condiciones a las que va a estar expuesto un material cuando entre en funcionamiento o en servicio.

UNIDAD I

GENERALIDADES Y NORMATIVIDAD PARA ENSAYOS DE MATERIALES

1


1.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES a) Ensayo, se define como el examen o comprobación de una o más propiedades o características de un material, producto, conjunto de observaciones, etc., que sirven para formar un juicio sobre dichas características o propiedades. Se intenta de esta manera simular las condiciones a las que va a estar expuesto un material cuando entre en funcionamiento o en servicio. Esto da origen al uso de estándares o normas en los laboratorios para el estudio de las características o propiedades de los materiales metálicos. b) Ensayo de materiales metálicos, se denomina así a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades y/o características de un material metálico. c) Estándar o norma, Es la regla que se debe seguir o a que se deben ajustar las conductas, tareas, actividades, procedimientos, etc. que sirve como tipo, modelo, patrón o referencia para poder reproducirse un determinado ensayo, las veces que se cr ea conveniente. d) Probeta, es una muestra de un producto industrial o manufacturado, que se extrae de un lote para ser sometida a pruebas mecánicas, análisis químicos o cualquier otro ensayo. La industria moderna ha fundamentado su desarrollo en un conjunto de reglas que determinan las características que deben cubrir los materiales, los productos, la maquinaria o los procedimientos. Dichas reglas implementadas adecuadamente, constituyen los estándares o normas industriales, cuya aplicación ha sido factor determinante del desarrollo científico y tecnológico, solo alcanzado por algunos países. Las normas establecen con precisión el reconocimiento de calidad, estimulando la confianza del consumidor, dan prestigio al fabricante, fomentan la organización de estructuras sólidas para el incremento de una producción masiva, simplificando los procesos y aumentando la eficiencia del trabajo, reducen los costos y aumentan los beneficios. En general se dice que una norma, es la regla que se debe seguir o a que se deben ajustar las conductas, tareas, actividades que determina dimensiones, composición y otras características que deben poseer los materiales, productos u objetos industriales. Los estándares o normas son establecidos por la autoridad gubernamental competente, organismos internacionales y/o por coordinación con los principales usuarios y de común acuerdo. La cual se usará como base comparativa durante un tiempo determinado. Los ensayos de materiales que se utilizan en la industria metálica también deben cumplir normas y ser realizados con equipos homologados.

2


1.2. NORMAS NACIONALES E INTERNACIONALES Las normas son importantes para realizar los ensayos, ya que estas establecen los procedimientos para su realización. Algunas ventajas que se tiene al utilizar las normas son: - Permiten comparar resultados de ensayos obtenidos en diferentes laboratorios. - Evitan confusiones y malos entendidos. - Simplifican la preparación de especificaciones técnicas. - Permiten la obtención de productos más uniformes. - Brindan confianza a los usuarios de los materiales. - Permiten reducir los costos. 1.2.1. Normas Nacionales Las normas técnicas nacionales las establece INDECOPI. Las normas Técnicas establecen los niveles de calidad y seguridad y son un medio óptimo para facilitar la transparencia en el mercado, y en elemento fundamental para competir. Por este motivo el Centro de Información y Documentación (CID) del INDECOPI, contribuye a la mejora de la Competitividad - País, poniendo a disposición de las empresas, Pymes, consultores, estudiantes y ciudadanía en general el “CATÁLOGO DE NORMAS TÉCNICAS PERUANAS SOBRE ENSAYOS MECÁNICOS DE LOS METALES” aprobadas por el Indecopi a través de la Comisión de Normalización y de Fiscalización de Barreras Comerciales No Arancelarias. La presentación del catálogo es amigable y de fácil ubicación, está clasificado por áreas temáticas de acuerdo a la Clasificación Internacional de Normas y dentro de estas en orden correlativo por código de Normas Técnicas Peruanas (NTP), con un resumen del contenido de la misma. RELACIÓN DE NORMAS TÉCNICAS PERUANAS DE ENSAYOS MECÁNICOS DE LOS METALES

A continuación se da el resumen de algunas normas peruanas para ensayos de materiales que se encuentran en el Indecopi. CÓDIGO: ISO 148-1:2011

TÍTULO: MATERIALES METÁLICOS Ensayo de flexión por choque con péndulo Charpy. Parte 1 RESUMEN: Especifica el método de ensayo de resiliencia de los materiales metálicos por el método de impacto Charpy. DESCRIPTORES: MATERIALES METÁLICOS, ENSAYO DE RESILIENCIA CÓDIGO: NTP ISO 6507-1:2000

3


TÍTULO: MATERIALES METÁLICOS. Método de ensayo de dureza Vickers RESUMEN: Especifica el método de ensayo de dureza Vickers para los tres rangos diferentes de fuerza de ensayo usado en materiales metálicos. El ensayo es para las diagonales de indentación de longitudes comprendidas entre 0,020 mm y 1,400 mm. DESCRIPTORES: MATERIALES METÁLICOS; VICKER; ENSAYO DE DUREZA CÓDIGO: NTP ISO 6892:2000

TÍTULO: MATERIALES METÁLICOS. Ensayo de tracción a temperatura ambiente RESUMEN: Especifica el método de ensayo de tracción a la temperatura ambiente de los materiales metálicos y define las propiedades mecánicas que pueden determinarse con este ensayo. Para ciertos materiales metálicos y para ciertas aplicaciones, el ensayo de tracción puede ser objeto de normas específicas o de condiciones particulares. DESCRIPTORES: MATERIALES METALICOS; ALARGAMIENTO; PROPIEDADES MECANICAS; ENSAYO DE TRACCION; ENSAYO MECÁNICO CÓDIGO: NTP 341.001:1970 (Revisada el 2011)

TÍTULO: ENSAYO DE DOBLADO PARA ACERO. 1ª. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de doblado de todos los productos de acero, excepto los productos planos de espesor inferior a 3 mm, tubos y alambres, que se ensayan según las Normas ITINTEC DESCRIPTORES: ACERO; DOBLADO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.002:1970 (Revisada el 2011) TÍTULO: ENSAYO DE TRACCION PARA ACERO. 1ª. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de tracción de todos los productos de acero, excepto los productos planos de espesor inferior a 3 mm, tubos, alambres y barras de diámetro inferior a 4 mm que se ensayan según las normas ITINTEC DESCRIPTORES: ACERO; TRACCION; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.004:1970 (Revisada el 2011) TÍTULO: ENSAYO DE DUREZA VICKERS PARA ACERO. 1a. ed.

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RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de dureza Vickers de todos los productos de acero. Se aplica especialmente al ensayo de especímenes pequeños, duros y delgados DESCRIPTORES: ACERO; DUREZA; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.005:1970 (Revisada el 2011)

TÍTULO: ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL PARA ACERO (ESCALAS B y C). 1ª. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de dureza Rockwell, en las escalas B y C, de todos los productos de acero. La escala B debe aplicarse al ensayo de aceros de dureza inferior a 100 HRB. La escala C debe aplicarse únicamente al ensayo de aceros de dureza superior a 20 HRC DESCRIPTORES: ACERO; DUREZA; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.006:1970 (Revisada el 2011) TÍTULO: ENSAYO DE IMPACTO SOBRE ESPECIMEN SIMPLEMENTE APOYADO CON ENTALLE U PARA ACERO. 1ª. ed.

RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de impacto sobre espécimen entallado en U de todos los productos de acero DESCRIPTORES: ACERO; IMPACTO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.007:1970 (Revisada el 2011) TÍTULO: ENSAYO DE IMPACTO SOBRE ESPECIMEN SIMPLEMENTE APOYADO CON ENTALLE V PARA ACERO. 1ª. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de impacto sobre probeta entallada en V de todos los productos de acero DESCRIPTORES: ACERO; IMPACTO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.008:1970 (revisada el 2012)

TÍTULO: ENSAYO DE EMBUTIDO ERICHSEN MODIFICADO PARA PRODUCTOS PLANOS DELGADOS DE ACERO. 1a.ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de embutido Erichsen modificado de todos los productos planos delgados de acero, especialmente los de espesor no menor que 0,5 mm y no mayor de 2 mm. Convencionalmente puede extenderse al ensayo de productos cuyo espesor sea menor que 0,5 mm DESCRIPTORES: ACERO; LAMINAS; EMBUTIDOS; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.009:1970. (Revisada el 2012) 5


TÍTULO: ENSAYO DE PESTAÑADO PARA TUBOS DE ACERO DE SECCION CIRCULAR. 1a. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de pestañado de tubos de acero de diámetro exterior no mayor que 150 mm y de espesor no mayor que 9 mm. DESCRIPTORES: TUBOS; ACERO; PESTAÑADO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.010:1970 (revisada el 2012)

TÍTULO: ENSAYO DE APLASTAMIENTOS PARA TUBOS DE ACERO DE SECCION CIRCULAR. 1a. ed. RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de aplastamiento de todos los productos tubulares de acero, de diámetro exterior no mayor que 400 mm y cuyo espesor de pared no sea mayor que el 15 del diámetro exterior DESCRIPTORES: TUBOS; ACERO; RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 341.011:1970 (revisada el 2012) TÍTULO: ENSAYO DE ABOCARDADO PARA TUBOS DE ACERO DE SECCION CIRCULAR. 1a. ed.

RESUMEN: Establece las condiciones que deben cumplirse para el ensayo de abocardado de todos los productos tubulares de acero, de diámetro no mayor que 150 mm y espesor de pared no mayor que 9 mm. DESCRIPTORES: TUBOS; ACERO; ABOCARDADO; ENSAYOS CÓDIGO: NTP 342.045:1982 (revisada el 2012)

TÍTULO: COBRE Y SUS ALEACIONES. Método de ensayo de torsión simple. 1a. ed. RESUMEN: Establece el método de ensayo de torsión simple para alambres de cobre o de aleaciones de cobre de media nominal o mayor de 0,5 mm. DESCRIPTORES: COBRE; ALEACIONES; TORSION; ENSAYOS (Indecopi, Catálogo Especializado de Normas Técnicas Peruanas) CÓDIGO: UNE-EN ISO 3059:2013 (Referencia peruana)

TÍTULO: ENSAYO NO DESTRUCTIVO Ensayo mediante líquidos penetrantes y partículas magnéticas. RESUMEN: Establece el método de ensayo de líquidos penetrantes y partículas magnéticas, aplicados a metales. Condiciones de observación. (ISO 3059:2012). DESCRIPTORES: Materiales metálicos, aceros y equipos de ensayos. 6


1.2.2. Normas Internacionales. A través de la historia, la humanidad ha ido estableciendo normas o estándares para mejorar sus actividades diarias. Las primeras normas, estuvieron relacionadas a la agricultura, luego los calendarios como el que utilizaron los Egipcios 4000 años antes de Cristo. Con la revolución industrial, las normas se fueron estableciendo con mayor rapidez; por mencionar algunos de estos motivos para aplicar los estándares o normas se dio en Estados Unidos cuando las líneas férreas de una ciudad tenían diferente distancia entre rieles a la línea férrea de la ciudad vecina. Esto impidió que sus medios de transporte puedan intercomunicarse y dio origen a la norma que establecía una misma distancia entre rieles para todos los ferrocarriles de los Estados Unidos. Hechos, como el antes descrito establecieron las bases para el desarrollo industrial por medio de asociaciones o sociedades de los países desarrollados, las cuales son agrupaciones científicas y técnicas de profesionales. Científicos expertos que a través de comités o grupos de trabajo desarrollan las normas, teniendo como principal objetivo suministrar los conocimientos, experiencias y habilidades de sus integrantes relativas a los materiales, productos, componentes industriales, sistemas, servicios y otras actividades, de tal manera que sean útiles a la industria, gobierno instituciones educativas y público en general en cualquier país. A continuación menciono algunas normas internacionales relacionadas con los materiales: A.I.S.I. /S.A.E.: (American Iron and Steel Institute) Instituto Americano del Hierro y el Acero. Es la más común en los Estados Unidos. En 192, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de acero donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que posteriormente AISI expandió. En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación. A.S.M.E.: (American Society of Mechanical Engineers) Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Es una asociación de profesionales, que ha generado normas de diseño, construcción, inspección y pruebas de equipos, entre otros, calderas y recipientes sujetos a presión. Estas normas tienen aceptación mundial y son usadas en todo el mundo. Hasta el 2006 ASME tenía 120 000 miembros y unas 600 normas. ASME, fue fundado en 1880 por los ingenieros mecánicos Alexander Lyman Holley, Rossiter Worthington, y Edinson. Además, participaron industriales, educadores, periodistas, técnicos de diseño, constructores navales, ingenieros militares, e inventores. En 1909, inici a sus actividades en el campo de la investigación en áreas tales como tablas de vapor, las características de gases, las características de metales, el efecto de la temperatura en las fuerzas deformantes de materiales, medios fluidos, etc.

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A.S.T.M.: (American Society of Testing Materials) Sociedad Americana para Pruebas de Materiales. Creada en 1898, ASTM International es una de las mayores organizaciones en el mundo que desarrollan normas voluntarias por consenso. ASTM es una organización que brinda un foro para el desarrollo y publicación de normas aplicables a los materiales, productos, sistemas y servicios. Los miembros de ASTM, que representan a productores, usuarios, consumidores, el gobierno y el mundo académico de más de 100 países, desarrollan documentos técnicos que son la base para la fabricación, gestión y adquisición, y para la elaboración de códigos y regulaciones. Estos miembros pertenecen a uno o más comités, cada uno de los cuales cubre un área temática, como por ejemplo acero, petróleo, dispositivos médicos, gestión de la propiedad, productos para el consumidor, y muchos más. Estos comités desarrollan más de las 13 000 normas ASTM que se pueden encontrar en el Annual Book of ASTM Standars. Las normas ASTM las usan individuos, compañías y agencias en todo el mundo. Los compradores y vendedores incorporan normas en sus contratos; los científicos e ingenieros las usan en sus laboratorios y oficinas; los arquitectos y diseñadores las usan en sus planos; las agencias gubernamentales de todo el mundo hacen referencia a ellas en códigos, regulaciones y leyes; y muchos otros las consultan para obtener orientación sobre muchos temas. A.W.S.: (American Welding Society) Sociedad Americana de Soldadura. Es una organización sin fines de lucro que se esfuerza por avanzar en la tecnología y el uso de sistemas y operaciones de soldadura. El grupo ofrece certificación en tres áreas principales: Soldadura por arco con gas inerte, (M.I.G. por sus siglas en Inglés), soldadura por arco con gas inerte (T.I.G.) y arco sumergido (SMAW) soldadura con electrodo revestido. La AWS ofrece recursos, ensayos y certificación para que las personas se conviertan en soldadores, inspectores, instructores, supervisores e ingenieros. N.M.A.: (Nacional Electrical Manufacturers) Asociación Nacional de Fabricantes de Aparatos Eléctricos. Lejos quedan ya los días en que los instrumentos de navegación funcionaban individualmente y sin interconexión alguna entre ellos. Afortunadamente, la tecnología avanza a pasos agigantados y pone a nuestra disposición toda una serie de prestaciones que facilitan y hacen más cómoda, atractiva y disfrutable la navegación, tanto la deportiva como la profesional, la de competición como la amateur o de ocio. Fue la NMEA (National Marine Electronic Asociation) la precursora de la comunicación entre equipos, estableciendo un protocolo normalizado de transmisión de datos. A.N.S.I.: (American Nacional Standars Institute) Instituto Nacional Americano de Estándares. Organización encargada de estandarizar ciertas tecnologías en Estados Unidos. Es miembro de la ISO, que es la organización internacional para la estandarización. ANSI, permite la estandarización de productos, servicios, procesos, sistemas y personal en Estados Unidos. Además, coordina con estándares internacionales para asegurar que los productos estadounidenses puedan ser usados a nivel mundial.

8


Los estándares ANSI buscan que las características y la performance de los productos sean consistentes, que las personas empleen las mismas definiciones y términos, y que los productos sean testeados de la misma forma. Las normas publicadas pueden ser utilizadas por cualquier persona que desee hacerlo. La institución que emite alguna norma ha hecho todo su esfuerzo para asegurar la exactitud y confiabilidad de los datos contenidos en ella; sin embargo, la institución no hace ninguna representación, garantía, o garantiza en respecto a esta publicación y expresamente niega por este medio cualesquiera posibilidad o responsabilidad por la pérdida o daños resultantes de su uso o por la violación de cualquiera de las autoridades que tienen jurisdicción y con la cual esta publicación puede estar en conflicto. La publicación de las normas se realiza para facilitar la divulgación de la ingeniería probada, investigaciones realizadas y prácticas de funcionamiento. Estas publicaciones no evitan la necesidad de aplicar el sano juicio de la ingeniería, el mirar cuando y donde deben estas publicaciones utilizarse. La formulación y la publicación de estos documentos no son de ninguna manera para inhibir a cualquier persona de usar algún otro tipo de norma. Cualquier fabricante de equipos que haga la marca del equipo o de los materiales en conformidad con los requisitos de marcado de un estándar o norma publicada son los únicos responsables de cumplir con todos los requisitos aplicables del estándar. Las normas publicadas no representan, no autoriza, o garantiza que tales productos estén hechos en conformidad con dicha norma. 1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE MATERIALES Los ensayos de materiales son procedimientos normalizados con los cuales se logra cuantificar las propiedades y cualidades de los materiales. Se tiene diferentes clasificaciones de los ensayos de materiales. A continuación se dan algunas de dichas clasificaciones: a) Primera Clasificación: Por rigurosidad: - Ensayos técnicos de Control , se realizan en las fábricas durante el proceso productivo e indican la calidad de los materiales. - Ensayos Científicos, se hacen durante la investigación en los laboratorios especializados permiten obtener valores lo más exactos y reproducibles de las propiedades estudiadas, porque se realizan en condiciones normalizadas. 

9


Fig. N° 1.1. Clasificación de los ensayos de materiales.

Por la Forma: - Ensayos destructivos , son aquellos que originan daño o rotura de la pieza ensayada. - Ensayos no destructivos , mediante estos ensayos se analizan los defectos internos y externos de una pieza mediante la observación directa utilizando simplemente la vista, lupas, microscopios, rayos X, ultrasonido, etc.  Por Métodos Empleados: - Ensayos químicos, nos permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del metal, la naturaleza del enlace químico o la estabilidad del material en presencia de compuestos corrosivos. - Ensayos metalográficos, permite conocer la estructura interna del material mediante el uso del microscopio. - Ensayos físicos y físico-químicos, se utilizan para cuantificar ciertas propiedades físicas o físicoquímicas - Ensayos mecánicos, son utilizados para determinar la resistencia del material a ciertos esfuerzos. 

b) Segunda Clasificación:  Según la utilidad de la pieza después de ser sometida al ensayo: - Ensayos destructivos : Se produce la rotura o un daño sustancial en la estructura del material. - Ensayos no destructivos : Se analizan las grietas o defectos internos de una determinada pieza sin dañar su estructura.  Según la velocidad de aplicación de las fuerzas: - Ensayos estáticos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material no influye en el resultado del ensayo. - Ensayos dinámicos: La velocidad de aplicación de las fuerzas al material juega un papel decisivo en el resultado del ensayo. 10


c) Tercera clasificación:  Ensayos Científicos: Deben ser realizados con cuidado y precisión, a fin de obtener los valores más exactos de las propiedades desconocidas del material. Los valores obtenidos mediante los ensayos científicos se suelen utilizar en diversas aplicaciones tecnológicas.  Ensayos de control-verificación: Son utilizados para determinar si una determinada muestra extraída de un lote, cumple con los requisitos esperados por los diseñadores o por las especificaciones de compras. 1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS Los materiales metálicos se clasifican de diferente manera:  Por su composición:

- Metal Puro: Se caracteriza porque tiene su propia masa particular, punto de fusión, y propiedades físicas. En los metales puros, las impurezas puede lograrse llegar a disminuir hasta 10-13. Ejemplo aluminio, magnesio, estaño, etc. El termino metal; también se utiliza para identificar las aleaciones ya sean ferrosas o no ferrosas. - Metal Aleado: producto homogéneo con propiedades metálicas obtenido mezclando varios elementos (metales o no metales), de los cuales por lo menos, uno es siempre un metal que se encuentra en proporción netamente superior frente a los otros. Es este metal que se toma como base para clasificar las aleaciones de interés industrial en: o Aleaciones ferrosas. o Aleaciones no ferrosas.  Por el número de elementos principales. Las

aleaciones metálicas se clasifican en: - Aleaciones binarias: Aleación metálica en la que participan dos elementos con mayor influencia. Ejemplo, acero (hierro y carbono. Además, de otros elementos). - Aleaciones ternarias: Aleación metálica con tres elementos importantes en su conformación. Ejemplo, la aleación ternaria Fe-Mg-Si

 Por su naturaleza:

- Metales Ferrosos: Por el contenido de carbono se consideran dos grandes grupos: a) Acero: Aleación Fe-C, contiene C de 0,05% a 2,0% con pequeñas cantidades de Si, P, Mn, S, y otros elementos aleantes para mejorar sus propiedades como Cr, Ni, V, Co, W, etc. La presencia de carbono y loe elementos aleantes en los aceros va a hacer variar sus propiedades. Dando origen a la diversa clasificación de los aceros y origina la necesidad de poder determinar sus propiedades de forma confiable, rápida, etc. las veces que se crea conveniente mediante los ensayos de materiales metálicos para darles un uso adecuado. Según la composición química, los aceros se clasifican en:

11




Aceros al carbono: Son los más comunes, están constituidos por Fe y C básicamente, con pequeñas cantidades de otros elementos como Mn, Si, S, Mg, etc. que determine la norma. Por ejemplo el acero SAE 1020.



Aceros aleados: Son los aceros que además de los elementos básicos C, Si, Mn, P y S; contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el Cr, Mo, Ni, W, V, etc. que sirven para mejorar sus características fundamentales. Ejemplo, el acero SAE 8620



Aceros para herramientas: En este grupo se incluye todos los aceros que se utilizan en la fabricación de útiles o herramientas destinadas a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta. Ejemplo, el acero SAE 1542.



Aceros inoxidables: Estos aceros contienen en su constitución mínimo 11% de cromo y/o níquel en cantidades según el tipo. La presencia de estos elementos aleantes en los aceros mejora la resistencia a la corrosión. Ejemplo, los aceros de la serie 400 (AISI 410)

Según el contenido de oxígeno, los aceros se clasifican en:  Acero calmado: Se desoxida en un grato tal que se elimina el riesgo de cualquier desprendimiento gaseoso durante la solidificación  Acero semicalmado: Acero no totalmente calmado, es decir, no desoxidado por completo.  Acero efervescente: Acero no desoxidado, mantienen el contenido de FeO en el acero. Según el diagrama de equilibrio Fe-C se clasifican en: < Acero eutectoide: Acero cuyo contenido de carbono corresponde exactamente a la composición del punto invariante eutectoide cuyo contenido de carbono es 0,8%, y está formado solamente por perlita. < Acero hipoeutectoide: Acero cuyo contenido de carbono es inferior al que corresponde al punto invariante eutectoide, están constituidos por ferrita y perlita. < Acero hipereutectoide: Acero cuyo contenido de carbono es superior a 0,8% e inferior a 2,0%, están formados por perlita rodeada de Cementita. Según el contenido de carbono:  Aceros de bajo C: El contenido de C es de 0,008% a 0,3%  Aceros de medio C: Contienen C de 0,3% a 0,6%  Aceros de alto C: el contenido de C es mayor al 0,6% Según la dureza: + Acero extrasuave: Contienen C de 0,1% a 0,2% + Acero suave: Contienen C de 0,2% a 0,3% + Acero semisuave: Contienen C de 0,3% a 0,4% 12


+ Acero semiduro: Contienen C de 0,4% a 0,5% + Acero duro: Contienen C de 0,5% a 0,6% + Acero extraduro: Contienen C de 0,6% a 0,7% b) Fundición: - No ferroso: En función de la densidad, se clasifican en:

Figura 1.2. Clasificación de metales no ferrosos, en función de la densidad.

1.5. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES METÁLICOS Las propiedades de los materiales metálicos son los atributos o cualidades esenciales del material y se determinan mediante los ensayos de materiales. A continuación se dan algunas de las propiedades de los materiales metálicos:         

Elasticidad : Es la capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa el esfuerzo sobre él. Plasticidad : Es la capacidad de adquirir deformaciones permanentes sin romperse. Cohesión: Es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse. Dureza: Es la resistencia del material a ser rayado o penetrado. Tenacidad : Es la resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. Fragilidad : Lo opuesto a la tenacidad. Fatiga: Es la resistencia a la rotura frente a esfuerzos repetitivos. Resiliencia: Resistencia a la rotura por impacto. Térmicas: Las propiedades térmicas de los metales están relacionadas con los fenómenos de vibración de los átomos del metal; al moverse alrededor de sus posiciones de equilibrio según las oscilaciones energéticas a que están sometidos.

13


 

Eléctricas: La conductividad eléctrica es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica un diferencial de potencial. Soldabilidad : Propiedad que tienen algunos metales por la que dos piezas de los mismos, en contacto, pueden unirse íntimamente formando un conjunto rí gido.

1.6. CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES METÁLICOS Son las cualidades naturales o adquiridas, que sirven para distinguir a algún metal específico o aleación de sus similares. Las características pueden ser macroscópicas o microscópicas.

-

A continuación se dan algunas de las características de los materiales metálicos: Buena conductividad eléctrica. Buena conductividad térmica. Brillo metálico. Fusibilidad. Maleabilidad. Ductilidad. Fases presentes en su microestructura. Tamaño de grano. Forma del grano.

14


UNIDAD II

ENSAYOS DESTRUCTIVOS

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2.1. DEFINICIÓN Y OBJETIVOS DE LOS ENSAYOS DESTRUCTIVOS Los ensayos destructivos se definen como aquellos ensayos que se realizan a un material mediante el uso de herramientas o máquinas las cuales producen una alteración irreversible de su composición química, mecánica o de su geometría dimensional con el fin de comprobar sus propiedades como dureza, tenacidad, resistencia mecánica, etc. Y así poder verificar la calidad de dicho material y hacer una correcta aplicación de ellos. Los ensayos destructivos realizados a los metales, tienen principalmente 4 objetivos: 1. Obtener las características o propiedades mecánicas del metal. 2. Realizar ensayos comparativos entre metales o aleaciones. 3. Comprobar las condiciones de aplicación así como los productos metálicos y la preparación de los elementos de máquinas para un uso adecuado de los materiales. 4. Simular las condiciones de trabajo, con el objeto de predecir su comportamiento. 5. Proveer datos cuantitativos, precisos y confiables de la muestra ensayada. 2.2. DUREZA 2.2.1. Definición de dureza La dureza, es quizás una de las propiedades más importante de los metales que encontrará en sus estudios de la metalurgia. Ésta, es una propiedad de los materiales sólidos que no tiene una definición científica, es difícil de definir. Sin embargo, una buena definición de la dureza es “una medida de la resistencia a la deformación”. Otra es “una medida de la resistencia a la penetración”. Una tercera definición “es la capacidad de un material para resistir ser indentado (deformado) permanentemente cuando está en contacto con un indentador indeformable bajo una carga”. Estas y otras definiciones se refieren a la resistencia de una superficie de metal a ser dañada, abollada, desgastada o deteriorada de modo alguno como resultado de la fuerza o presión aplicada contra ella mediante un indentador de geometría, dimensiones y características conocidas. Analizando las anteriores definiciones obtenemos las siguientes conclusiones. 1) La dureza por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, no del material en sí. 2) Los métodos de dureza por indentación presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, por lo que la dureza se puede cuantificar como tal. 3) El indentador no debe sufrir deformaciones residuales. La dureza no es una propiedad de los metales y sus aleaciones, si no que depende de otras propiedades como la elasticidad, la plasticidad y la cohesión. Existen diferentes tipos de ensayos para determinar la dureza de los materiales metálicos: a) Ensayos de dureza (resistencia) al rayado  Dureza Mineralógica  Dureza Martens b) Ensayos de dureza estática  Dureza Brinell 16


Dureza Vickers  Dureza Rockwell c) Ensayos de dureza dinámica  Dureza Shore  Dureza Poldi 

El ensayo de dureza se aplica principalmente para:  Control de calidad de materiales sólidos.  Control de calidad de materiales metálicos con tratamiento térmico.  Estimación de la resistencia a la tracción.  Estimación de la resistencia al desgaste.

Figura 2.1. Métodos de ensayo de dureza más utilizados en la determinación de la dureza de los metales.

2.2.2. Macrodureza Como macrodureza se consideran los métodos de ensayo de dureza que utilizan indentadores comparativamente grandes y dejan una huella en la cual se mide las diagonales de la superficie de la indentación o la profundidad relativa de la huella a partir del peso o la carga aplicada, según el método. Los ensayos de macrodureza más utilizados son el método Brinell, Vickers y Rockwell. Los diferentes tamaños de huella de los ensayos de dureza se utilizan para diferentes propósitos de prueba. Las mediciones de macrodureza, en general se utilizan para determinar la dureza en materiales homogéneos, de volumen y dimensiones relativamente grandes. En los durómetros modernos, la dureza del material se cuantifica directamente en la pantalla led y si el equipo no es moderno la dureza se determina usando una de una variedad de escalas que

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indican directa o indirectamente la dureza conociendo la presión de contacto que participa en la deformación de la superficie de ensayo. 2.2.3. Método Dureza Martens Martens fue el primero en desarrollar una máquina para medir dureza, se basó en el esclerómetro de Franz. La dureza se determina en función de la oposición que un material ofrece a ser rayado por un diamante de forma piramidal con un ángulo en el vértice de 90°. El equipo para el ensayo se basa en un brazo en el que en un extremo está el diamante y el otro la carga, esta puede desplazarse a lo largo de un carril. La dureza Martens se expresa en gramos (carga constante y determinada), que son los que deben actuar sobre el diamante para originar una raya en la superficie de la probeta ensayada. El ancho de la raya es de 0,001 mm. Se mide “a” en micras y la dureza viene dada por:

∆= 

Ejemplos de dureza Martens: Plomo = 16,1g Cobre = 37g Acero endurecido = 147g

Figura 2.2. Esquema del equipo de ensayo Martens

Figura N° 2.3. Probeta ensayada por método de dureza Martens

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2.2.4. Método Dureza Brinell Norma: ASTM 10-78, ISO 6506, EN 10003 Es uno de los métodos por indentación más utilizado para ensayar la dureza de los metales; consiste en aplicar sobre la pieza o probeta a ensayar una carga constante “P” que oscila entre 250 a 3000 kilogramos fuerza (kgf), durante un tiempo específico “t” comprendido entre 10 y 30 segundos (s), empleando una esfera (indentador) de acero duro de diámetro “D” que puede ser de 1 mm a 10 mm.

Figura 2.4. Durómetro moderno con pantalla LCD, Indentec

La dureza Brinell (HB), se define como el cociente entre la carga aplicada P y el área de la huella del indentador “S” en mm2. Es decir:

= 

La ecuación que aún se utiliza para determinar la dureza por el método Brinell en forma manual es:

= √2  

Mediante la ecuación anterior se puede determinar la dureza Brinell en función de la carga aplicada a la probeta (P), el diámetro del indentador (D) y el diámetro de la huella (d). El diámetro de la huella (d), se determina como el promedio de dos valores obtenidos midiendo dos diámetros perpendiculares entre sí. Las mediciones de los diámetros de la huella se deben hacer con una aproximación de 0,01 mm utilizando un microscopio con oculares micrométricos.

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Figura 2.5. Esquema ensayo Brinell y medición de lo s diámetros en la huella de la indentación

El ensayo Brinell estándar se realiza en las siguientes condiciones: Carga aplicada: 3000 kgf Diámetro del indentador: 10 mm Tiempo de aplicada la cargar: 15 segundos La dureza Brinell estándar se denota de la siguiente manera: 76HB o 76HBS (cuando se usa indentador de acero) o 76HBW (si el indentador es de carburo de tungsteno). Esta notación nos indica que la dureza estándar por el método Brinell del material ensayado es de 76. Si por alguna razón no se puede aplicar las condiciones estándar en la determinación de la dureza Brinell. En este caso la dureza; se determina mediante comparación de las variables que intervienen aplicando el criterio de semejanza y se denota de la siguiente manera:

Figura 2.6. Denotación de dureza Brinell no estándar

Ejemplo de dureza Brinell, ensayado en la Escuela de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann-Tacna: 120 HBW 2,5/187,5/10. Determinación del tamaño del indentador Para seleccionar el diámetro del indentador, debemos tener en cuenta que el espesor de la probeta sea mayor o igual a 10 veces la profundidad de la huella; de esta manera nos aseguramos que la deformación se dé en la probeta sin ninguna interferencia por parte de la superficie del porta probeta.

20


La bolilla del indentador más usada es la de 10 mm de diámetro. También se utilizan, aunque en mucha menor medida, los indentadores de 5 - 2,5 – 2 y 1 mm de diámetro. Determinación de la carga máxima La carga a ser utilizada durante el ensayo; se determina teniendo en cuenta:

Dónde: P: Carga máxima (Kgf) D: Diámetro indentador (mm 2)

=.

C: Constante del ensayo (kgf/mm2)

También se puede utilizar las tablas proporcionadas por los fabricantes de los equipos. Para los ensayos Brinell más frecuentes podemos usar la siguiente tabla: Tabla 2.1. Dureza Brinell de materiales de mayor uso

(C=5)

Aleaciones de cobre y aluminio (C=15)

Aceros y fundiciones (C=30)

15,6

31,2

93,75

187,5

5

62,5

125

375

750

10

250

500

1500

3000

Diámetro indentador (mm)

Plomo, estaño, cinc (C=2,5)

Cobre, aluminio

2,5

Fuente. Manual durómetro

Determinación del tiempo de ensayo El tiempo de ensayo se determina según el material a ensayar; nos debe asegurar la finalización del flujo plástico del material deformado por el indentador. En general se sugiere los siguientes tiempos para ensayar mediante Brinell los materiales más frecuentes:  Para aceros y fundiciones, entre 10 y 15 segundos.  Para aluminio y sus aleaciones, entre 30 segundos  Para metales blandos como plomo, estaño, cinc, etc., la carga se aplica por más de 3 minutos.

Consideraciones generales a tener en cuenta en el ensayo:  El ensayo de dureza Brinell no se aplica a materiales muy duros, ya que el indentador se puede deformar, distorsionando, así, los resultados del ensayo. Para indentadores de acero duro, los resultados son aceptables hasta 450 HB y para para indentadores de carburo de tungsteno, los resultados son aceptables hasta 630 HB.  Al realizar el ensayo, las superficies de la probeta estarán limpias de partículas, virutas, aceites, etc.  En lo posible las superficies de la probeta serán planas y paralelas.  Durante la preparación de la probeta se debe evitar modificar su estructura superficial; por calentamiento en el mecanizado.  La dirección de la carga aplicada a la superficie de la probeta será perpendicular. 21


 

El centro de la huella estará a una distancia mínima de 2,5d del borde de la probeta (excepto, para casos especiales). La distancia mínima entre centros de las huellas será, como mínimo, de 4d.

Ventajas Las principales ventajas del ensayo Brinell son:  Como el tamaño de la huella es relativamente grande, se disminuyen los efectos de las heterogeneidades del material.  La preparación de la probeta es simple.  Si no se dispone de un durómetro, puede utilizarse una prensa hidráulica o una máquina de tracción, siempre que sea posible controlar la aplicación de la carga.  Es un ensayo relativamente fácil de realizar.  Se aplica a los materiales de uso más frecuente. Desventajas Algunas desventajas del ensayo Brinell: • Es un ensayo relativamente lento. • La huella que produce este ensayo es grande; en muchos casos, la pieza se inutiliza, con el consiguiente desperdicio. • No es un método aplicable a materiales muy duros ya que se deforma la bolilla, provocando distorsión en los resultados del ensayo. • No es un método aplicable a piezas pequeñas. • No es un método aplicable a piezas con tratamiento de endurecimiento superficial.

PROCEDIMIENTO - Preparamos las probetas de tal forma que se tenga dos superficies paralelas, desbastadas, pulidas y una de ellas abrillantada. - Seleccionamos y colocamos el indentador de acuerdo al material a ensayar; el cual es una bola de carburo de tungsteno cuyo diámetro puede ser de 1,25; 2,5; 5; 7 ó 10mm. - Colocamos el porta indentador en posición de ensayo. - Verificamos que el equipo este calibrado. Si no está calibrado, se calibra usando una probeta de dureza conocida que viene con el equipo. - Seleccionamos la carga adecuada para el indentador seleccionado mediante las manecillas del equipo. - En la pantalla, verificamos que las variables seleccionadas sean las correctas. En caso contrario se debe corregir la selección de la carga, el indentador, tiempo de ensayo y/o el método de ensayo de dureza. - Colocamos la probeta en el porta probeta.

22


- Acercar la probeta hacia el indentador girando el disco del porta probeta con bastante cuidado

hasta que en la pantalla LCD el indicador de carga se pinte completamente y se escuche un pitido. - Una vez que suena el pitido dejamos de girar el disco del porta probeta, y se inicia automáticamente a aplicar la carga de ensayo por el tiempo programado. - Luego, en el caso de la dureza Brinell procedemos a medir el diámetro horizontal y vertical de la huella dejada po r el indentador en la superficie de la probeta mediante el siguiente procedimiento:  El

porta indentador, se retira de la posición de ensayo para poder usar el microscopio que forma parte del equipo.  A través del microscopio, observamos la huella dejada por el indentador y usando las perillas que se encuentran en el porta ocular. Ubicamos las líneas verticales que se observan en el ocular en forma tangencial al borde de la huella y en puntos opuestos para medir el diámetro horizontal de la huella. Luego, presionamos el botón blanco que se encuentra en la parte posterior del porta ocular para que la computadora del equipo lea y nos muestre el valor de dicho diámetro (d1).  Luego se gira la base del porta ocular y en forma similar a lo antes descrito se procede a medir el diámetro vertical de la huella (d 2). En seguida, automáticamente el equipo promedia las dos diagonales medidas y nos muestra en la pantalla LCD el valor de la dureza Brinell.

Figura 2.7. Sistema de digitalización de video portátil para medir automáticamente dureza Brinell.

En la figura N° 2.7, se muestra un equipo portátil moderno que permite determinar la dureza Brinell en forma automática, rápida y sencilla utilizando indentadores de 1; 2; 2,5; 5 y 10 mm de diámetro y una carga aplicada que va de 1 kgf a 3000 kgf, se conectado a un computador. Permite realizar medidas exactas (hasta de 0,001mm) y precisas del diámetro de la huella. Se puede almacenar automáticamente las imágenes y los datos de las mediciones tales como identificación del 23


operador, fecha, hora, parámetros del ensayo (diámetro del penetrador, carga aplicada, tiempo del ensayo), valores obtenidos de la dureza medida, ubicación de la imagen almacenada, etc. 2.2.5. Dureza Vickers Norma: ASTM E 92, ASTM E 384, ISO 6507, EN 23878 El ensayo de dureza de materiales por el método Vickers, se utilizó por primera vez en Inglaterra en 1925 por R. Smith y G. Sandland. La prueba como el equipo fueron populares rápidamente y el método de ensayo toma el nombre de la empresa Vickers-Armstrong Limited, que la fabricó por primera vez. El ensayo de dureza Vickers es un método normalizado que se basa en principios similares a los del método Brinell; capacidad de un material de resistir una deformación plástica localizada. Es decir, un indentador de forma definida se presiona en la superficie del material a ensayar, se retira la carga, se miden las diagonales de la huella resultante, y el valor de la dureza Vickers se determina dividiendo la fuerza (P) por el área superficial (S) de la huella que se calcula a partir del promedio de las diagonales. El ensayo Vickers se divide en dos tipos: a) Pruebas de macroindentanción, utiliza una carga entre 1 y 120kgf, las cargas de mayor uso son de 10; 30 ó 50 kgf. y b) Los ensayos de microindentación usan cargas de 1 a 1000gf, las cargas más utilizadas son de 100; 300 ó 500gf. Indentador El penetrador de diamante, es una pirámide de base cuadrada, cuyo ángulo entre caras opuestas es de 136°. Al indentador se aplica la carga programada hasta que alcanza su máximo valor y actúa durante un tiempo (t); luego se retira la carga y el indentador para enseguida medir las dos diagonales de la huella. Microscopio El equipo tiene un microscopio con divisiones micrométricas para medir las diagonales de la huella con una aproximación de 5%. Probeta El ensayo de dureza Vickers utiliza probetas de diferente tamaño; barras grandes, secciones laminadas hasta piezas muy diminutas en montajes metalográficos. Las probetas deberán ser estables durante el ensayo; no moverse. Espacio entre huellas El centro de la huella no debe estar cerca al borde de la probeta o a otra huella en una distancia igual a 2,5 la longitud de la diagonal de la nueva huella. En general, la dureza Vickers se calcula aplicando la siguiente ecuación:

Donde:

= . 24


  

P, es la carga aplicad. S, superficie de la huella k, constante de conversión k=1 (cuando P se expresa en kgf y S en mm 2) k=0,10197 (cuando P se expresa en Newton y S en mm 2) k=1000 (cuando P se expresa en gf y S en micrómetros cuadrados)

La siguiente ecuación permite determinar la dureza Vickers en función del promedio de las diagonales (d) de la huella:

= 1,8544 

Figura 2.8. Esquema del indentador de diamante utilizado en el método Vickers para determinar la dureza de los metales.

El ensayo Vickers estándar se realiza en las siguientes condiciones: Carga aplicada: de 1 a 120kgf Indentador: Pirámide de diamante con ángulo (α) entre caras = 136° Tiempo de aplicada la cargar: de 10 a 15 segundos La dureza Vickers estándar se denota de la siguiente manera: 460HV 30. Esta notación nos indica que la macro dureza estándar por el método Vickers del material ensayado es de 460 bajo una c arga de 30kgf. Aplicada por un tiempo de 10 a 15 segundos.

Figura 2.9. Indentador de diamante y microhuella dejada al ensayar por el método de dureza Vickers. Medición de diagonales.

25


Si por alguna razón se aplica más tiempo del estándar en la determinación de la dureza Vickers. En este caso la dureza; se denota indicando el tiempo utilizado durante el ensayo; y se denota como ejemplo, de la siguiente manera: 280HV 20 / 25

420 HV 40 / 30 Tiempo de ensayo Carga aplicada Dureza Vickers Magnitud de la dureza Figura 2.10. Denotación de dureza Vickers no estándar.

Precauciones a tener en cuenta durante el ensayo:  Preparar la superficie (correspondiente a una preparación metalográfica) del material a ser

ensayado.  La superficie a ser ensayada estará limpia y libre de lubricantes, oxido, etc.  Si la superficie a ensayar tiene curvatura; aplicar el factor correctivo según norma.  Asegurar que la carga de ensayo sea perpendicular a la superficie en prueba.  Durante el ensayo; evitar desplazamiento, vibraciones de la probeta.  Las diagonales de la huella se mide con precisión.  Si las diagonales difieren mucho. Repetir el ensayo.  El espesor de la probeta será, por lo menos 10 veces la profundidad de la impronta.  La distancia entre centros de huellas será igual o mayor a 4 veces el valor de la diagonal. La distancia del centro de una huella y el borde de la probeta, será igual o mayor a 2,5 veces el valor de la diagonal.  Para medir las diagonales de la huella. Previamente se debe centrar l a huella en el microscopio. Ventajas + Usa un indentador para todo el rango de durezas. + Las huellas son comparables entre sí. + Permite medir la dureza de capas o piezas muy delgadas; desde 0,05mm de espesor. + Se pueden analizar materiales, desde muy blandos hasta muy duros. + Puede utilizarse en superficies no planas. Desventajas < Es un ensayo lento. < Debe medirse cuidadosamente las diagonales. < Requiere una excelente preparación superficial para cargas bajas. Procedimiento - Colocamos el indentador de diamante. - Colocamos el porta indentador en posición de ensayo.

26


- Verificamos que el equipo este calibrado. Si no está calibrado, se calibra usando una probeta de -

-

dureza conocida que viene con el equipo. Seleccionamos la carga adecuada para el indentador seleccionado mediante las manecillas del equipo. En la pantalla, verificamos que las variables seleccionadas sean las correctas. En caso contrario se debe corregir la selección de la carga, el indentador, tiempo de ensayo y/o el método de ensayo de dureza. Colocamos la probeta en porta probeta. Retiramos el indentador de la posición de ensayo para poder utilizar el microscopio. Acercamos la probeta hacia el lente objetivo del microscopio hasta lograr enfocar la superficie a ensayar. Colocar el indentador en posición de ensayo. Ensayar. Luego, utilizando el microscopio medimos las diagonales de la huella. Al determinar la segunda diagonal automáticamente el equipo las promedia y nos muestra en la pantalla LCD el valor de la dureza Vickers.

2.2.6. Dureza Rockwell Norma: ASTM E 18-07, ISO 3738 Método de ensayo para determinar la dureza, es decir la resistencia de un material a ser deformado elásticamente y plásticamente por otro más duro (no sufre deformación) en presencia de una carga localizada. La dureza, se determina por lectura directa ya que se basa en el principio de medición de profundidad diferencial. Utiliza cargas y penetradores más pequeños que el método Brinell, por lo tanto las huellas son de menor profundidad que las del método Brinell. El equipo Rockwell utiliza penetrador de dos tipos: a) Cono de diamante y b) Esfera de acero duro de diferentes diámetros.

Figura 2.11. Indentador cónico de diamante del método de dureza Rockwell

Tener en cuenta:  Las probetas deben ser preparadas previamente (superficie pulida), tener un espesor mínimo, de aproximadamente unas 10 veces la profundidad de la huella.  Las probetas deben estar limpias; sin grasa, aceite polvo, etc.  La probeta estará apoyada firmemente en el porta probeta.  La superficie a ensayar debe estar perpendicular al indentador. 27






Debe haber una distancia desde la huella hasta el borde de la probeta de 2,5 veces el diámetro de la huella o mayor. La distancia entre centros de huellas contiguas será igual o mayor a 4 veces el diámetro de la huella. ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformación). No pueden suceder golpes ni vibraciones durante el ensayo para tener una lectura correcta.

Procedimiento Utilizando maquinas clásicas:  Aplicamos una precarga (generalmente es de 10 kgf) para que el indentador tenga contacto firme con la probeta, la profundidad de la huella que se logre; es el nivel de referencia.  Luego, se coloca la aguja del dial indicador en cero.  A continuación se aplica la carga de ensayo (90 kgf) por un tiempo determinado (15 segundos) sin originar vibraciones en el equipo.  Finalmente se retira la carga y se lee la dureza en el dial de la máquina. En durómetros modernos el procedimiento es automático o semiautomático. A continuación se da un procedimiento moderno: - Primero verificamos que el equipo este calibrado. - Seleccionamos y colocamos el penetrador de acuerdo al

material a ensayar el cual puede ser es una esfera de acero endurecido o el indentador de cono piramidal de diamante. - Colocamos la probeta en el porta-probeta. - Seleccionamos la carga, mediante las manecillas del equipo. - En la pantalla, verificamos que el método de dureza a usar sea el correcto. En caso contrario se debe corregir la selección de la carga, el indentador y/o el método de ensayo de dureza. - Acercar la probeta hacia el indentador con bastante cuidado hasta que el indentador este muy cerca a la superficie de la probeta. - Presionamos el botón de inicio de ensayo en el tablero de control, y se inicia automáticamente el ensayo. - Al término del tiempo de ensayo; el equipo nos muestra el valor de la dureza Rockwell en la pantalla LCD. Las escalas de dureza Rockwell se divide en dos categorías: Escalas comunes y escalas superficiales. Se indican en la tabla 2.1: Para realizar una correcta elección de la escala, lo más recomendado es consultar las normas correspondientes. A fin de tener una idea, considerar las siguientes indicaciones:

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Rockwell A. Se aplica a materiales de gran dureza y de poco espesor, como tijeras, aceros con tratamiento térmico, etc. Rockwell B. Se aplica a materiales de dureza intermedia, como aceros de bajo y medio carbono, aleaciones de cobre y aluminio, etc. Rockwell C. Se aplica a materiales de gran dureza y espesor, como aceros templados, aceros aleados, fundiciones muy duras y, en general, materiales con HRB superior a 100. Rockwell F. Se aplica a chapas de metales blandos, aleaciones de cobre, etc. Rockwell E. Se aplica a metales blandos y antifricción.

La escala B arroja valores aceptables entre HRB 10 y 100. Para valores mayores a HRB = 100, la bolilla se puede deformar. Para valores menores a HRB = 10, los valores son erráticos. La escala C se aplica a materiales cuya dureza excede HRB =100. El rango correcto de trabajo en la escala Rockwell C abarca desde HRC = 20 hasta HRC = 70. Si no se conoce el material ensayado ni sus condiciones, lo conveniente es realizar, primero, un ensayo Rockwell C y, si el resultado obtenido es inferior a 20, se procede a realizar un ensayo Rockwell B. Si el material ensayado carece de homogeneidad, habrá gran dispersión en los resultados obtenidos; en ese caso, conviene cambiar a una escala con carga o penetrador mayor. Escalas N. Se aplican a materiales como aceros endurecidos, aleaciones duras y ca rburos. Escalas T . Se aplican a materiales blandos, como latones, bronces, aceros blandos o materiales similares.

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Tabla 2.2. Características de algunas escalas Rockwell

Escala

Tipo de escala

Indentador

Carga inicial (kgf)

Carga adicional (kgf)

Carga total (kgf)

A C D F B H E 15N 30N 15T 30T

Común Común Común Común Común Común Común Superficial Superficial Superficial Superficial

Cónico Cónico Cónico Esfera 1/16” Esfera 1/16” Esfera 1/8” Esfera 1/8” Cónico Cónico Esfera 1/16” Esfera 1/16”

10 10 10 10 10 10 10 3 3 3 3

50 140 90 50 90 50 90 12 27 12 27

60 150 100 60 100 60 100 15 30 15 30

Aplicaciones Metales duros, superficies templadas, chapas finas (< 0,4 mm). Aceros templados. Piezas con superficies templadas de dureza media, chapas. Aleaciones de cobre recocido, chapa fina metálica (< 0,6 mm). Aceros blandos, aceros de construcción, metales no ferrosos Aluminio, zinc, plomo Fundiciones, aleaciones de Al-Mg, metales antifricción o sintéticos. Metales antifricción o de dureza muy baja, ebonita (ASTM D53D-59T),

madera laminada (ASTM D 805-52), materiales sintéticos, etc.

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2.2.7. Microdureza (dureza por microindentación) Norma: ASTM E-384 En microdureza, se mide la resistencia de un material a la deformación plástica o a la penetración de un pequeño indentador, aplicando pequeñas cargas (de 1 a 1000 gramos fuerza). La huella que se genera por éste método es tan pequeña que se observa mediante un microscopio para ser medida y cuantificada, la profundidad máxima que se obtiene en estos ensayos es menor a las 19 µm. Los ensayos de microdureza más utilizados son el método Vickers y Knoop. Las mediciones de microdureza, en general se utilizan para: - Determinar la dureza en materiales heterogéneos (diversas faces). - Muestras de área, volumen y/o dimensiones pequeñas. - Medida de superficies tratadas térmicamente, superficies endurecidas o nitruradas. - Medida de superficies descarburadas. - Medida de recubrimientos. Es bueno mencionar que el término “microdureza” es erróneo; ya que l a dureza de un material no varía con el tamaño que tenga. Una mejor descripción de éste método seria tal vez el término “micro-indentación”.

2.2.7. Microdureza (dureza por microindentación) Norma: ASTM E-384 En microdureza, se mide la resistencia de un material a la deformación plástica o a la penetración de un pequeño indentador, aplicando pequeñas cargas (de 1 a 1000 gramos fuerza). La huella que se genera por éste método es tan pequeña que se observa mediante un microscopio para ser medida y cuantificada, la profundidad máxima que se obtiene en estos ensayos es menor a las 19 µm. Los ensayos de microdureza más utilizados son el método Vickers y Knoop. Las mediciones de microdureza, en general se utilizan para: - Determinar la dureza en materiales heterogéneos (diversas faces). - Muestras de área, volumen y/o dimensiones pequeñas. - Medida de superficies tratadas térmicamente, superficies endurecidas o nitruradas. - Medida de superficies descarburadas. - Medida de recubrimientos. Es bueno mencionar que el término “microdureza” es erróneo; ya que l a dureza de un material no varía con el tamaño que tenga. Una mejor descripción de éste método seria tal vez el término “micro-indentación”.

El principal inconveniente de este método es que necesitan probetas con una buena preparación superficial, llegando al acabado superficial metalográfico, también conocido como “acabado espejo”. La probeta debe estar atacada para poder distinguir las fases presentes.

Figura 2.12. Equipo microindentador semiautomático.

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a) Microdureza Vickers Fue introducido por Smith y Sandland, en Inglaterra en 1925, es un método de penetración. Emplea un indentador de diamante piramidal de base cuadrada, cuyo ángulo entre caras opuestas es de 136°.

Figura 2.13. Huella de microdureza Vickers.

La dureza Vickers se define como la carga dividida por la superficie de la huella. La dureza Vickers, se calcula con la ecuación:

=0,1891 

Dónde: F , es la carga aplicada en gramos fuerza d , promedio de las diagonales medidas en la huella

Se aplica una carga creciente cuyo valor máximo que varía entre 1 y 1000 gramos fuerza, se mantiene la carga aplicada de 10 a 15 segundos. Se utiliza para materiales duros o blandos y puede aplicarse en piezas muy delgadas (e=0,2 mm). Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella. Notación: La notación que se utiliza es similar a la que utilizamos en los otros métodos de dureza.

430 HV 180 / 30 Tiempo de ensayo Carga aplicada Dureza Vickers Magnitud de la dureza Figura 2.14. Denotación de dureza Knoop no estándar.

b) Microdureza Knoop Fue desarrollado por Frederick Knoop y la National Bureau of Standards, en Estados Unidos, en 1939. Emplea un indentador de diamante piramidal de base rómbica de geometría mostrada en la

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figura 2.13. El penetrador Knoop produce una huella poco profunda (1/30 de la longitud de la diagonal mayor) cuando se compara con una carga realizada por penetrador Vickers.

Figura 2.15. Indentador y huella del método de dureza Knoop.

En este ensayo, se incrementa el valor de la carga hasta un valor máximo “P” y se mantiene aplicada durante un tiempo “t”; posteriormente, se retira el indentador y se mide la diagonal mayor “L”.

Se utiliza para medir la dureza de materiales muy delgados o recubrimientos de materiales. La dureza Knoop, se determina como el cociente en tre la carga “P” y el área “S” de la huella dejada por el indentador en la superficie ensayada. Esta dureza la podemos calcular mediante la siguiente formula:

= .

Dónde: k, toma el valor de acuerdo a las unidades elegidas: kgf/mm 2 o gf/µm2 Para determinar la dureza Knoop, en función de la diagonal mayor de la huella. Usamos la siguiente formula:

= 14,229 .

Las cargas utilizadas varían entre 1 y 1000 gf, los tiempos de permanencia de la carga aplicada oscilan entre 10 y 15 segundos (no se indican en la notación). Notación: La notación que se utiliza es similar a la que utilizamos en la macrodureza.

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320 HK 200 / 30 Tiempo de ensayo Carga aplicada Dureza Knoop Magnitud de la dureza Figura 2.16. Denotación de dureza Knoop no estándar.

En la figura 2.16, se da como resultado una dureza Knoop de 320. Obtenida con una carga de 200 gramos, aplicada durante 30 segundos. PROCEDIMIENTO El procedimiento a seguir en el ensayo de microdureza, por cualquiera de los métodos se realiza como se indica a continuación: -

-

Primero prendemos el equipo. Verificamos que el equipo este calibrado. Presionamos next. Seleccionamos y/o verificamos las condiciones de ensayo (tipo de ensayo, carga, tiempo de ensayo, etc.). Colocamos la probeta en el porta probeta, enfocamos la superficie de la probeta. Utilizando los micrómetros del porta probeta ubicamos el área a ensayar. Presionamos start. Esperamos que el equipo realice el ensayo. Observamos a través del microscopio y ubicamos la indentación (huella en forma de rombo). Para medir la diagonal horizontal (1) colocamos tangencialmente las líneas del microscopio a los extremos de la diagonal, luego presionamos el botón ubicado en el cabezal del ocular. Leemos el valor de la diagonal. Giramos el cabezal del ocular y procedemos a medir la diagonal vertical (2) en forma similar a la diagonal 1. Leemos la magnitud de la segunda diagonal. Enseguida, el equipo nos muestra en la pantalla LCD la microdureza correspondiente al material ensayado. Realizar por lo menos 3 medidas de la dureza de la misma fase en diferentes lugares.

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Figura 2.17. Pantalla LCD, mostrando resultados de una microindentación. Tabla 2.3. Algunas aplicaciones típicas de las pruebas de dureza por indentación.

Brinell

Rockwell

Vickers

Microdureza

Acero estructural y laminados gruesos. Fundiciones, acero dulce, aluminio, etc. Aceros endurecidos por tratamiento térmico.

Partes con endurecimiento superficial como engranajes cojinetes, válvulas, etc. Herramientas de corte como cinceles, cuchillas, hojas de sierra. Herramientas de conformado. Elementos metálicos aleados. Elementos metálicos con tratamiento térmico. Partes duras por cementado, carburadas, etc. Hasta 0,25mm de espesor. Materiales delgados hasta de 0,15mm. Polímeros.

Se utiliza para los mismos materiales que el ensayo Rockwell con mayor exactitud y menor penetración como partes cementadas de 0,13 a 0,25mm. Materiales delgados hasta de 0,13mm. Elementos con recubrimiento metálico.

Recubrimientos metálicos. Recubrimientos por pinturas. Laminas delgadas hasta de 2,54x10-3mm. Laminados bimetálicos. Partes muy pequeñas. Materiales frágiles como vidrios, esmalte de dientes, etc. Determinar la dureza de cada fase en aleaciones. Medir la dureza de los granos, fases microestructurales.

2.3. ENSAYOS DINÁMICOS Estos ensayos son menos rigurosos que los estáticos, las magnitudes que se obtienen presentan algún grado de erro y son dispersas generalmente. Requieren equipos muy sencillos, son rápidos y se pueden aplicar en cualquier lugar. Se pueden aplicar a piezas o probetas de cualquier tamaño. En los ensayos dinámicos la carga aplicada proviene al impactar el indentador en la superficie de la probeta. La determinación de la dureza en estos métodos se basan en medir la energía elástica que es capaz de absorber el material y por lo tanto los ensayos dinámicos deben realizarse cuidadosamente.

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En general la dureza que se determina mediante los métodos dinámicos depende de la elasticidad del material y por lo que son comparables en materiales con las mismas propiedades elásticas. En los ensayos dinámicos se pueden considerar los que son por rebote, el método de Poldi y el método Ultra Sonic Contac Impedance. 2.3.1. Durómetro portátil (HL) Norma: ASTM A-956-02, DIN 50156 Utiliza el método normalizado de Leeb para la medida de dureza en el acero. Es un método de medición que fue introducido en el año 1978 por el Ingeniero Dietmar Leeb. El valor de la dureza HL resulta de realizar el cociente entre la velocidad de incidencia y retroceso del cuerpo de impacto multiplicado por mil.

 .1000  =  El prefijo de la unidad de dureza HL variara según el dispositivo de impacto utilizado, ya sea si utilizamos un dispositivo de impacto G la unidad será, HL G, si el dispositivo de impacto es D+15 la unidad será, HLD+15. Cuanto mayor sea la dureza del material medido, mayor es la velocidad de rebote. Si se considera un determinado grupo de materiales, como ser, acero, aluminio, bronce, etc., el valor de HL D en que fueron medidas las piezas antes nombradas, representa un valor de dureza directo y como tal puede ser utilizado para una comparación posterior con otros valores de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore, etc.)

Figura 2.18. Durómetro portátil Digimess DP300, dispositivo de impacto.

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Importante: Los valores de dureza Brinell, Vickers, Rockwell, Shore son tomados de tablas de conversión directa con la unidad HL. Para cada dispositivo de impacto ya sea D, DC, DL, D+15, C, E, G, existe una tabla de conversión independiente de las demás. Es un ensayo de dureza rápido y de bajo costo. Uso: Identificación de materiales. - Determinar variantes de dureza en piezas grandes - Medición de dureza en espacios reducidos y difícil acceso. - Realizar mediciones de dureza en situ. - Control de piezas instaladas.

Procedimiento del ensayo: Tener en cuenta:  Las probetas deben tener un espesor mínimo, de aproximadamente 1,0 mm.  El área a ser ensayada; debe pulirse a 10 m.  La superficie a ensayar debe desengrasarse y limpiar. Pasos a seguir: - Seleccionamos y colocamos la unidad de impacto adecuada. - Prendemos el equipo presionando la tecla ON/OFF. - Esperamos que el equipo realice la auto detección de la unidad de impacto, y nos muestre la pantalla de MENU. - Verificamos que el equipo este calibrado. - Con las teclas arriba/abajo y ENTER se selecciona las opciones del menú principal. - Al presionar la tecla ENTER; accede a la pantalla de MENU. En esta pantalla tenemos acceso a las diferentes opciones que el equipo posee y el operador podrá realizar las mediciones deseadas. -

Comprimir el resorte que se encuentra en el interior del dispositivo de impacto. Sujetar el dispositivo en la superficie a ser ensayada. Presionar el botón del dispositivo de impacto para que libere el resorte y se realiza el ensayo. El operador podrá observar a través de la pantalla LCD el valor de la dureza inmediatamente después de haber realizado la medición.

Si se encuentra midiendo con una unidad determinada y desea cambiar a otra unidad de medida. Sin salir de la pantalla de medición, deberá presionar ENTER. El DP300 accederá al menú de selección de unidades de manera directa.

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Figura 2.19. Información que se tiene en la pantalla de información.

2.3.2. Método Shore (HS) El método Shore se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percutor que, después de chocar con la probeta a ensayar, rebota hasta cierta altura. El número de dureza Shore se deduce de la altura alcanzada en el rebote. El equipo clásico requiere un esclerómetro o escleroscopio, consta de un tubo de cristal de 300 mm de altura, por su interior cae un martillo con punta de diamante de 2,36 gramos. El martillo cae de una altura de 254 mm. Los equipos modernos para determinar la dureza por el método Shore son digitales, de fácil manejo como el que se muestra en la siguiente figura.

Figura 2.20. Equipo moderno para determinar dureza Shore.

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Algunas características del ensayo: - No es de gran precisión, pero es rápido. - El equipo es de fácil manejo, poco volumen y bajo costo. - No deja huella; la deformación en la probeta es muy pequeña. - Es utilizado para el control de grandes series y mecanizados al no dañar las piezas ni perjudicar las capas superficiales con algún tratamiento. - Los resultados obtenidos se pueden aproximar a valores de otras durezas. Por ejemplo, para fundición gris: un grado Shore equivale a 5,25HB. 2.3.3. Método Poldi (HBP) Es un método de impacto se basa en el mismo criterio que el Brinell, consiste en un equipo portátil y consiste en lanzar una esfera de 5 mm de diámetro sobre la superficie de la probeta u objeto, de manera que el impulso produzca una huella. La dureza de calcula midiendo la huella. El aparato se compone de un cilindro hueco en cuya parte inferior se encuentra el indentador y en su parte superior se encuentra el percutor, que al ser golpeado le transmite la carga al cubo patrón de dureza conocida y este a la bolilla (indentador) que provoca la huella sobre el material Por efecto del golpe el penetrador produce dos huellas, una en el material a ensayar y otra en el cubo patrón. A partir de los diámetros de ambas huellas y mediante tablas que acompañan al aparato se puede determinar la dureza, si ambos materiales tienen la misma dureza las huellas tendrán el mismo diámetro, si la pieza ensayada es más dura, su huella será menor a la huella del bloque patrón.

Figura 2.21. Esquema del método de ensayo de dureza Poldi.

Dado que la carga que actúa sobre el elemento patrón es la misma que actúa sobre la superficie a ensayar, la dureza de la pieza a ensayar resulta al aplicar la ecuación:

39


       =   

Dónde: HBv , es la dureza del cubo patrón, dv es el diámetro de la huella en el cubo patrón y dp el diámetro de la huella en la pieza ensayada. De esta manera queda probado que aunque la carga puede variar de un ensayo a otro, debido al modo de aplicación, el valor de dureza es independiente de la misma. La gran diferencia que existe entre la dureza Brinell convencional y la Brinell de taller es el modo de aplicación de la carga. En la dureza Brinell convencional la carga se aplica en forma estática, es decir en forma comparativamente lenta respecto del método Poldi, lo que da lugar a un mayor flujo plástico en el material. 2.4. ENSAYO DE TRACCIÓN Norma: ASTM E 8-99, ASTM A 370 El ensayo de tracción es el más utilizado de todos los ensayos mecánicos, pertenece al grupo de los ensayos destructivos estáticos. Consiste en aplicar a una probeta de eje recto, en forma lenta y creciente, dos fuerzas en la dirección del eje y de sentido opuesto que tienden a producir algún alargamiento de la probeta. Este ensayo se realiza en la máquina universal de ensayos, que nos permite realizar varios tipos de ensayos. Como tracción, compresión, flexión, etc. La velocidad de aplicación de la carga de ensayo debe ser lenta con una variación de 0,1 Kgf/mm 2 y por segundo aproximadamente. Si la carga se aplica muy lentamente se produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de la resistencia del material. Un incremento de la velocidad produce una disminución del límite de fluencia y un aumento de la resistencia, a expensas de la ductilidad que disminuye considerablemente. Por las condiciones del ensayo de tracción. Este es el que mejor determina las propiedades mecánicas de los materiales metálicos, o sea aquellos que definen sus características de resistencia y deformabilidad, la resistencia estática, etc., que nos permiten determinar el límite elástico, la carga máxima y la consiguiente resistencia estática, en base de cuyos valores se fijan las tensiones de proyecto.

40


Figura 2.22. Máquina universal de ensayos. Tinius Olsen.

2.4.1. Objetivo del ensayo de tracción Analizar el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a una tensión uniaxial. El objetivo del ensayo de tracción es determinar las características de los materiales, que pueden servir para el control de calidad, las especificaciones de los materiales y el diseño de piezas y elementos de máquinas sometidas a esfuerzos. Reconocer y diferenciar los materiales elásticos o plásticos. Construir e interpretar la gráfica esfuerzo-deformación. Calcular el modulo elástico, el límite elástico, la resistencia a la tracción, resistencia a la rotura, porcentaje de alargamiento, etc. Determinar la resistencia a la fluencia. Reconocer las diferencias entre materiales dúctiles y frágiles. 2.4.2. Probeta para ensayo de tracción Las probetas que se utilizan en el ensayo de tracción pueden ser industriales o normalizadas ensanchadas en los extremos para tener una mejor sujeción y asegurar que la rotura de la probeta sea dentro de la longitud calibrada dentro de la cual se tiene los “puntos fijos de referencia” (L 0) 50 mm, que nos permitirá después de la fractura, juntando los trozos se mide los puntos de referencia para tener la longitud final (L). Las probetas industriales pueden tener cualquier forma; incluso, puede ensayarse el mismo elemento en estudio. Estas probetas se usan solo para control-verificación del material.

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Las probetas normalizadas se caracterizan por tener sus dimensiones principales establecidas en la norma que utilicemos o el usuario. Se usan en ensayos de verificación y, también, en ensayos de control-verificación. Para realizar el ensayo de tracción, debemos elaborar probetas con las dimensiones que indique la norma con la cual trabajamos. Las probetas se fabrican en una variedad de formas. La sección trasversal de la probeta puede ser cilíndrica, cuadrada o rectangular. En la siguiente figura se indica las dimensiones de la probeta para muestra cilíndrica; según la norma ASTM E-8.

Figura 2.23. Esquema de probeta cilíndrica según ASTM E-8. Tabla 2.4. Dimensiones de la probeta cilíndrica para tracción, ASTM E-8.

Abreviatura G D R A L B C

Dimensiones Longitud Diámetro Radio del filete Longitud de la sección de reducción. Longitud total, aproximada Longitud de los extremos Diámetro de los extremos

Medida (mm) 62,5±0,1 12,5±0,2 10,0 75,0 145,0 35,0 20,0

Fuente: ASM International Handbook. Mechanical Testing and Evaluation. (2000).

Figura 2.24. Probeta según ASTM E-8 con sección transversal: a) cilíndrica, b) plana, c) cuadrada, d) probeta cuadrada ensayada.

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2.4.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de tracción Antes de realizar los ensayos de tracción se deben tomar las respectivas medidas dimensionales de las probetas que vamos a utilizar. Utilizando el vernier se procede a realizar la medición de la longitud (G) y los puntos de referencia en el caso de probetas cilíndricas el diámetro (D) básicamente con cuidado y llevar un registro de las mismas. El procedimiento a seguir para realizar el ensayo de tracción en una máquina universal moderna es similar al que damos a continuación: -

-

Prender la máquina, y esperar que reconozca las partes. Verificar que las mordazas sean las adecuadas al tipo de muestra que se va a utilizar. Verificar las variables adecuadas para el ensayo (velocidad de carga, tipo de muestra, etc.) Verificar unidades de medida. Verificar que el equipo se encuentre en la posición de inicio. Prender la bomba. Colocar la probeta entre las mordazas y sujetarla con las mismas. Verificar la verticalidad de la probeta para que la carga aplicada se distribuya uniformemente en toda la sección transversal de la probeta. Aplicar una pequeña precarga a la probeta para que quede bien sujeta por las mordazas. Poner en cero la carga, alargamiento y equipo adicional (extensómetro). Iniciar el ensayo, presionando el botón “ensayo”. La máquina aplica una carga lenta y continua sobre la probeta hasta que se rompe. La computadora, durante el ensayo ejecuta la gráfica (tensión-deformación) y registra las magnitudes de la carga y deformación. Una vez ocurrida la rotura de la probeta, retirar las partes de la probeta ensayada, juntar las partes y medir el diámetro de la sección de rotura y la longitud entre los puntos de calibración (longitud “G”). La máquina nos muestra la gráfica y la magnitud de la carga máxima, carga de rotura, alargamiento, etc. En el caso que la rotura de la probeta se produzca fuera de las marcas referenciales. Ese ensayo se descarta.

Figura 2.25. Ensayo de tracción utilizando extensómetro.

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2.4.4. Curva tensión-deformación En la figura se representa el sistema de coordenadas Ɛ-σ, el diagrama de tracción de una probeta de acero de bajo carbono. Como se puede observar, en el tramo O-A del diagrama las deformaciones crecen proporcionalmente a las tensiones, cuando estos son inferiores a cierto valor, llamado límite de proporcionalidad es válida la ley de Hooke.



Además, si dejamos de aplicar la carga deformante, la probeta recupera su longitud original. Este comportamiento elástico es el que se refleja en la parte recta de la gráfica hasta alcanzar el límite elástico o de proporcionalidad. Al aumentar la carga, el diagrama resulta ya curvilíneo. Sin embargo, si los esfuerzos no son superiores a , denominado límite de elasticidad, el material conserva sus propiedades elásticas. En la práctica no se hace distinción entre y , puesto que los valores de límite de proporcionalidad y del límite de elasticidad se diferencian muy poco.



 

Al seguir aumentando la carga, llega un momento (punto C), cuando las deformaciones comienzan a aumentar sin un correspondiente crecimiento sensible de la carga. El tramo CD del diagrama se denomina escalón de fluencia. El esfuerzo que se desarrolla en este caso, es decir, cuando las deformaciones crecen sin aumento de la carga, se denomina límite de fluencia ( . Cuando el diagrama presenta límite de fluencia se nota dos puntos importantes; el límite de fluencia inferior (C) y el límite de fluencia superior (D).



El punto C, marca el inicio de oscilaciones o pequeños avances y retrocesos de la carga con re lativa importante deformación permanente de la probeta. Las oscilaciones en este periodo denotan que la fluencia no se produce simultáneamente en todo el ma terial, por lo que las cargas se incrementan en forma alternada, fenómeno que se repite hasta alcanzar el límite superior de fluencia. Superado el límite elástico (B), la carga aplicada produce deformación permanente en la probeta. Esto se representa en la gráfica en forma curva. Superada la zona de fluencia, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se incrementan, es decir que ingresa en el periodo de las grandes deformaciones, las que son uniformes en todas las partes de la probeta hasta llegar al punto E, por disminuir, en igual valor en toda la longitud del material, la dimensión lineal transversal. El final de este periodo de alargamiento homogéneo queda determinado por la carga máxima (E). En esta zona, por efecto de la deformación se produce un endurecimiento que conoce como “acritud”. En el caso de ciertos materiales, el diagrama de tracción no muestra un escalón de fluencia bien acentuado. Para estos materiales se introduce el término límite convencional de fluencia (esfuerzo correspondiente a una deformación residual del 0,2% y se denomina ).

,

Después de que la probeta recibe cierto alargamiento bajo una carga constante, es decir, después de pasar el estado de fluencia, el material de nuevo adquiere la capacidad de oponerse al 44


alargamiento (el material se endurece) y el diagrama, una vez rebasado el punto D, asciende, aunque con menos intensidad que antes. El punto E del diagrama corresponde al esfuerzo convencional máximo que se denomina límite de resistencia a la tracción. Cuando el esfuerzo se iguala al límite de resistencia, en la probeta se observa una reducción brusca y local de la sección transversal (estricción), en forma de cuello (EN). El área de la sección transversal disminuye súbitamente en el lugar del cuello y, como consecuencia, se reduce la fuerza y el esfuerzo convencional. La rotura de la probeta ocurre por la sección menor del cuello.

Figura 2.26. Curva tensión-deformación.

2.4.5. Datos obtenidos del ensayo de tracción A continuación se detalla la información que podemos obtener con el ensayo de tracción. - Tensión o esfuerzo de ingeniería ( σ). Se define como la carga aplicada dividida entre el área

transversal inicial (A0) de la probeta.

     = á  =     

- Tensión verdadera (σv). Se define como la carga aplicada dividida entre el área transversal

instantánea que posee la probeta mientras esta aplicada la carga.

   =  = á á

- Deformación unitaria de ingeniería (Ɛ). Se define como la deformación ( ΔL) dividida entre la

longitud inicial (L0) de la probeta.



= ΔL

- Deformación unitaria verdadera ( ). Se define de la siguiente manera.

45


- Resistencia a la fluencia (



 =() ). Es el valor de la tensión que

debe aplicarse sobre la probeta para iniciar su deformación permanente de 0,2%. - Módulo de elasticidad (E). Es la pendiente de la línea recta

que se forma en la zona elástica de la curva tensióndeformación.

=.

El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez del material. El material es más rígido entre mayor sea su módulo de elasticidad. - Módulo de resiliencia (Er). Es el valor numérico del área bajo la curva en la zona elástica.

Representa la energía por unidad de volumen que el material absorbe cuando se deforma elásticamente. - Relación de Poisson (µ). Es la relación entre la deformación unitaria longitudinal y la deformación

unitaria lateral.

- Resistencia a la tracción (

sobre la probeta.

 = 

 á    = á  =     

). Es el valor máximo de la tensión de ingeniería que se puede aplicar

- Ductilidad. Es una medida de la cantidad de deformación plástica que puede darse en un

material antes que este se rompa. Se puede medir de dos formas:

a) b)

%  ó= −  100 %  ó  á= −  100

- Tenacidad. Es la energía por unidad de volumen que el material puede absorber antes de

romperse. Numéricamente es igual al área bajo la curva tensión-deformación unitaria. - Límite elástico (A).- Es el punto donde se incrementa la longitud sin aumentar la carga. Desde el comienzo de la curva hasta el límite elástico. - Punto de fractura.- Es donde el material falla y se rompe en dos partes. - Materiales frágiles.- Son más resistentes y menos deformables. 46


- Materiales dúctiles.- Son menos resistentes y más deformables.

Probetas ensayadas mediante ensayo de tracción

Algunos resultados de ensayos realizados en los laboratorios de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann-Tacna

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2.5. ENSAYO DE COMPRESIÓN Norma: ASTM E-9-89a El ensayo de compresión es similar al de tracción, se aplica una carga axial a la probeta, se utiliza la misma máquina universal de ensayos, con la diferencia que la carga aplicada aplasta la probeta para reducir su longitud hasta la rotura o suspensión del ensayo. Este ensayo se realiza, por lo general en materiales frágiles, como fundiciones. En elementos de máquinas fabricados con material dúctil; cuando sea necesario. Es posible realizar el ensayo de compresión a materiales dúctiles; estos materiales suelen tener una resistencia a la compresión similar a la resistencia a la tracción; por lo que no justifica. Se realizan en aquellos casos donde sea necesario considerar el comportamiento del metal a compresión, como en el caso de la fabricación de monedas. Los materiales frágiles rompen con nula o mínima deformación, y los materiales dúctiles (aluminio, cobre, etc.) rompen con gran deformación. 2.5.1. Objetivo del ensayo de compresión - Estudiar el comportamiento de los metales cuando son sometidos a una carga axial de compresión. - Permite determinar las siguientes propiedades: rigidez, ductilidad, tensión de fluencia, resistencia máxima, resistencia a la fractura. - Estudiar nuevos tipos de materiales. - Estudiar nuevos diseños de piezas. - Investigar nuevos procesos de fabricación de piezas y elementos. - Realizar control de calidad del material metálico utilizado en compresión. 2.5.2. Probeta para el ensayo de compresión Por lo general se usan probetas pequeñas en forma de cubo o cilíndricas. Los extremos de las probetas deben ser planas, paralelas y perpendiculares a la superficie lateral con un máximo de 3 minutos de arco. Las superficies de las probetas deben tener un acabado superficial de 1,6 µm en promedio. Deben ser de poca altura, la altura es igual o menor a tres veces el diámetro, puesto que en probetas más altas puede ocurrir flexión. Las dimensiones de las probetas recomendadas por la norma ASTM E9-89a se dan en la tabla 2.3. Las probetas cortas son usadas para pruebas de compresión de materiales metálicos como para cojinetes, los cuales están diseñados como platos delgados para soportar cargas perpendiculares a las superficies. Las probetas medianas son usadas para determinar las propiedades mecánicas generales de los materiales que trabajan en compresión. Las probetas largas se usan en el estudio

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de columnas. Las probetas con relación longitud-diámetro de 1,5 a 2 son las que más se utilizan para determinar la resistencia de materiales de alta Resistencia.

Figura 2.27. Probetas para ensayo de compresión. Tabla 2.5. Dimensiones de probeta cilíndrica de compresión, ASTM E9-89a.

Probeta Corta Mediana

Larga

Diámetro (mm) 30±0,25 13±0,25 20±0,25 25±0,25 30±0,25 20±0,25 32±0,25

Longitud (mm) 25±1,0 38±1,0 60±3,0 75±3,0 85±3,0 160±3,0 320 mínimo

Fuente: Tomado de la Norma ASTM E9-89a.

2.5.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de compresión - Preparar las probetas de acuerdo a la Norma ASTM e9-89a. - Tomar las medidas de la probeta. - Colocar la probeta cuidadosamente alineada en la parte central del cabezal de la máquina universal de ensayos. - Prender la máquina y esperar que reconozca las partes. - Prender la bomba. - Aplicar una pequeña precarga a la probeta para que quede bien sujeta por las mordazas. - Poner en cero la carga y compresión. - Iniciar el ensayo, presionando el botón “ensayo”. La máquina aplica una carga lenta y continua de compresión sobre la probeta hasta que se rompe. - La computadora, durante el ensayo ejecuta la gráfica (tensión-deformación) y registra las magnitudes de la carga y deformación. - Una vez ocurrida la rotura de la probeta, detener la máquina y retirar la probeta ensayada. - La máquina nos muestra la gráfica y la magnitud de la carga máxima, carga de rotura, disminución de la longitud, etc. - Medir la longitud de la probeta ensayada.

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2.5.4. Datos obtenidos del ensayo de compresión Alguna información que podemos obtener al realizar el ensayo de compresión: - Se obtiene una gráfica compresión-deformación cuya forma es similar a la gráfica tensióndeformación. También presenta una zona elástica, la zona plástica y los puntos más importantes. - Compresión unitaria. Se define como la carga aplicada dividida entre el área transversal instantánea que posee la probeta mientras esta aplicada la carga.

   =  = á á ∆=  Ɛ=( ) ∆= 

- Contracción total. Se define como la disminución de la longitud de la probeta.

- Contracción unitaria. Se define de la siguiente manera.

- Variación de área transversal. Se define de la siguiente manera.

- Límite de fluencia. Es el esfuerzo por el cual el acortamiento residual alcanza una magnitud de

0,2%. Se determina en forma gráfica mediante el diagrama compresión-deformación. Para esto en el eje de las deformaciones desde el origen de las coordenadas, se mide un segmento (0K) de 0,2L0/100 por donde se traza una recta paralela a la zona elástica hasta cortar la gráfica (punto C) que nos permite determinar la carga de fluencia.

Figura 2.28.Curva compresión-deformación. Límite elástico.

- Límite de resistencia a la compresión. Esta magnitud se determina solo cuando la probeta se

rompe, y se define por la ecuación:

á    = á  =      50


En general al llegar a la rotura del material ensayado, esta se produce según planos inclinados a aproximadamente 45° respecto al eje de la probeta o en forma de grietas. El hecho de que los planos inclinados de rotura formen 45° tiene justificación teórica, ya que en ellos se producen las máximas tensiones cortantes. 2.6. ENSAYO DE DOBLADO Norma: ASTM E190 Este ensayo también se conoce como plegado. Nos permite conocer la capacidad de deformación de un material al ser flexionado con el fin de prevenir roturas al ser sometido a una carga sin agrietarse. El ensayo de doblado se aplica en frío o en caliente para chapas, cintas, flejes, alambres y tubos.

Figura 2.29. Ensayo de doblado de plancha metálica.

2.6.1. Objetivo del ensayo de doblado - Este ensayo sirve para tener una idea aproximada sobre el comportamiento del metal a la flexión o esfuerzo de doblado, necesaria para prevenir roturas frágiles durante las manipulaciones de doblado, conformado y servicio del material. Realizado el ensayo, la probeta no debe presentar grietas. - Nos permite conocer la plasticidad de los diferentes materiales metálicos y como consecuencia conocer la forma en que se puede trabar con ellos. - Se utiliza para determinar la adhesividad de los recubrimientos metálicos. - Verificar la calidad del cordón de soldadura. 2.6.2. Probeta para el ensayo de doblado En láminas de metal, la probeta que se utiliza para doblado es rectangular. De 50 por 650 milímetros aproximadamente. Se deben tomar de tal manera que sea representativa del material que se va estudiar.

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2.6.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de doblado - Se comienza el ensayo, colocando la probeta sobre dos apoyos, cuya separación está normalizada. - Se aplica una fuerza controlada y que aumenta paulatinamente hasta que la probeta se dobla completamente o comienza a aparecer las primeras grietas. - El ángulo de doblado depende del material que se está ensayando, el uso que va a tener y la norma que se utilice. 2.6.4. Datos obtenidos del ensayo de doblado El ensayo de doblado es del tipo cualitativo, por lo que la información que se obtiene es visual. Se debe observar si el material ensayado presenta grietas, r otura de la probeta o desprendimiento del recubrimiento en el caso de materiales con recubrimiento. Con este ensayo se verifica la ductilidad. 2.7. ENSAYO DE RESISTENCIA AL IMPACTO Norma: - Charpy: ASTM D 6110, ASTM E-1236, ISO 179-1 - Izod: ASTM D256, ISO 180 El ensayo de impacto, es un ensayo dinámico que se realiza a temperatura ambiente o a la temperatura que indique la norma. La resistencia estática a la tracción o resistencia a la rotura, no indican necesariamente que dicho material sea apropiado para soportar las cargas de servicio. Muchas veces los elementos de máquinas se someten a tensiones cíclicas, trabajos a baja temperatura o a cargas aplicadas en forma repentina como por ejemplo, golpes. El ensayo de impacto, entonces, adquiere relevancia, básicamente, en el diseño de máquinas con partes móviles o van a trabajar en ambientes donde se produce cambios de temperatura. El ensayo de impacto se utilizó en forma restringida y los resultados no se entendieron completamente hasta la segunda guerra mundial, cuando muchas naves se construyeron mediante soldadura y muchas de ellas se agrietaron otras se partieron completamente aún en condiciones normales incluso estando fondeadas en aguas tranquilas. Además, se presentaron rotura de grandes estructuras como oleoductos y tanques de almacenamiento de manera similar. Todas estas fallas tenían características similares. Fueron repentinas, la fractura correspondía a un material frágil, y ocurría a tensiones muy por debajo del límite elástico del acero. Se observó que se originaban en muescas u otros concentradores de tensiones como esquinas agudas, defectos de soldadura, etc. Esto motivo que los laboratorios de la naval y otros laboratorios realicen investigaciones de estos hechos. Una de las conclusiones más importantes de las investigaciones fue que los aceros de esa época se rompían como material frágil a bajas temperaturas y la presencia de algún concentrador de tensiones como una muesca. Estos sucesos no podían ser estudiados utilizando los ensayos de dureza, de tracción o análisis químico, que eran ensayos comunes de la época. El mejor método para estudiar este comportamiento de los metales a bajas temperaturas, 52


es el ensayo de impacto utilizando probetas con muesca estandarizada. Como se utiliza hasta la fecha, a pesar que en la actualidad la máquina de ensayo al impacto es computarizada y de control digital.

Figura 2.30. Máquina digital de ensayo por impacto y esquema de máquina para método Izod.

2.7.1. Objetivo del ensayo de impacto - Los ensayos de impacto permiten determinar la capacidad de un material de soportar cargas aplicadas en forma instantánea. - Con el ensayo de impacto, determinamos la tenacidad del metal ensayado. - Permite comparar el comportamiento de un mismo material, sometido a distintos tratamientos térmicos, frente al ensayo de impacto. 2.7.2. Métodos de ensayos de impacto Existen dos formas de realizar los ensayos de impacto: El método Charpy y el método Izod. En ambos métodos la rotura de la probeta se produce por flexión. Los dos métodos utilizan el mismo procedimiento, diferenciándose solamente en la probeta y la forma de colocar la probeta en la máquina. a) Método Charpy . Comenzó a ser utilizado en 1904 en Europa (Alemania, Italia y Francia), es un método dinámico que permite determinar la tenacidad o resistencia de los metales a las cargas de impacto y determinar su posibilidad de rotura por fragilidad. Determina la cantidad de energía absorbida por un material durante la fractura. - El péndulo pesa 22 kilogramos aproximadamente. - La resiliencia del material viene dada por el trabajo, en kgm dividido por la sección de rotura en mm2 (kgm/mm2). En la siguiente figura se muestra la posición de la probeta en los apoyos de la máquina y dónde debe recibir el golpe del martillo o péndulo. 53


Figura 2.31. Ubicación de la probeta respecto al martillo . Método Charpy.

b) Método Izod . En 1908, un inglés llamado Izod desarrollo una máquina similar a la utilizada por el método Charpy que se hizo muy popular durante un periodo de tiempo pero luego fue disminuyendo debido a las dificultades que se tiene cuando el ensayo se realiza a temperatura diferente a la ambiente. En el ensayo Izod la probeta es sostenida en el porta probeta por uno extremo, quedando libre el extremo de la probeta donde golpea el martillo o péndulo a una distancia de 22mm de la muesca. La muesca debe estar al nivel del borde de la l a mordaza y al mismo lado del golpe según la norma ASTM E-23.

Figura 2.32. Ubicación de la probeta respecto al golpe del martillo. Método Izod.

2.7.3. Probeta para el ensayo de impacto En la siguiente figura se muestra la probeta utilizada en el ensayo de impacto por el método de Charpy. El entalle o muesca de la probeta varía de acuerdo a la norma que se esté utilizando. La probeta que se utiliza en el método Izod se prepara de forma similar a la utilizada por el método Charpy. Son de 10x10x130 mm, la probeta tiene 3 entalladuras en caras diferentes, dispuestas a 28 mm de distancia unas a otras. El entalle tiene 45° de abertura, 2 mm de profundidad y 0,25 mm de radio en el fondo. 54


Figura 2.32. Esquema y probeta para ensayo de impacto Charpy y esquema de probeta Izod.

2.7.4. Procedimiento para efectuar el ensayo de impacto - Para realizar el ensayo de impacto se debe tener la probeta elaborada. - Elevar el martillo pendular a la posición de inicio del ensayo. - Poner en cero la aguja que nos indica el ángulo de avance del martillo. - en el método Charpy colocar la probeta centrada en el porta probeta de la máquina, en posición tal que reciba el impacto del martillo en la parte posterior de la muesca. - Liberar el martillo para que impacte en la probeta y lo rompa. En algunos casos no se rompe la probeta debido a que el material ensayado es muy dúctil. En este caso no se da el valor a la resiliencia y su calificación será “sin romper”. Estos materiales, según la norma deben ensayarse a baja temperatura. - Leer la magnitud del ángulo  que fue desplazada la aguja por el péndulo después de romper la probeta. - En el método Izod, el martillo debe chocar con la probeta a 22 mm de la entalladura y el mismo lado. - En el ensayo se rompe la probeta por las tres entalladuras, girando las caras y colocando en la posición adecuada la entalladura que corresponde. La resiliencia de un material se determina mediante el ensayo de impacto utilizando el m étodo Izod o el método Charpy y necesitamos solamente ensayar 3 veces y hacer la lectura del ángulo  para aplicar las ecuaciones:

 =.  .  1   

 = 

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Dónde:

     

: Gravedad= 9,8 m/s 2

M: Masa del martillo. : Longitud del brazo del martillo. : Resiliencia.

: Energía de resiliencia.

: Área fracturada. : Ángulo de giro del péndulo.

Un grado alto de resiliencia es característico de los aceros austeníticos (aceros con alto contenido de austenita). En las máquinas modernas, para realizar los ensayos por impacto; el procedimiento es semiautomático. -

Prender la máquina, esperar que reconozca los elementos. Colocar la probeta en el portaprobeta. Soltar el martillo precionando el botón correspondiente. Realizado el ensayo. El equipo muestra en la pantalla LCD la magnitud de la reciliencia y eleva el brazo hasta la posición alta, quedando listo para el proximo ensayo.

2.7.5. Datos obtenidos del ensayo de impacto - Los resultados obtenidos sólo se utilizan con fines comparativos con otros ensayos realizados en condiciones idénticas. - Este ensayo nos suministra información de la fragilidad del metal y considera los factores que hacen variar la fragilidad. - Los ensayos de impacto determinan la energía absorbida en el impacto por una probeta estandarizada.

Figura 2.33. Curva temperatura-energía de ensayo de impacto.

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- Permite hacer un análisis de fractura. - Determina el trabajo realizado durante el ensayo. - Los resultados de los ensayos de impacto nos permite verificar que la fragilidad de los metales es influenciado por la velocidad de la carga aplicada, la temperatura del ensayo, la presencia o generación de tensiones durante el ensayo por entalle o cambio brusco de la sección transversal de la probeta. En la siguiente figura se muestra la curva temperatura-energía que nos permite determinar la temperatura a la cual un material metálico dúctil se comporta como material frágil. 2.8. ENSAYO DE CIZALLADURA Norma: NASM 1312-1313 Ensayo de tipo tecnológico consistente en someter un material a esfuerzos axiales crecientes y progresivos hasta llegar a la rotura de la probeta. Se usa para materiales que no resisten ensayos de tracción o flexión y/o las pruebas efectuadas no tienen analogía confiable con otros materiales. 2.8.1. Objetivo del ensayo de cizalladura - Conocer el funcionamiento y manejo de la máquina de ensayo a la cizalladura. - Determinar la fuerza en corte que un material puede soportar en servicio antes de romperse. - Determinar la resistencia al cizallamiento del metal ensayado. - Estudiar la superficie fractura para determinar el comportamiento del material a las condiciones del ensayo. 2.8.2. Probeta para el ensayo de cizalladura Las probetas se elaboran con elementos que están unidos por chavetas, espárragos, lengüetas, remaches, pernos, etc.

Figura 2.34. Diagrama de probeta remachada para ensayo de cizalladura.

2.8.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de cizalladura - Para este ensayo necesitamos una máquina de ensayo universal con los accesorios necesarios como son las mordazas de cizallamiento templadas para alojar la muestra.

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- Previo a los ensayos se realizan varias pruebas para determinar la velocidad de ensayo que indica la norma. - En la probeta se debe tener marcas que nos permitan tener la distancia L 0 para que después del ensayo podamos determinar la deformación nominal ( Ɛ). - Ubicar en la máquina la probeta lo más alineada posible para evitar que al aplicar la carga se originen momentos flectores en la unión. - De todos los ensayos realizados, se descarga el más bajo y más alto valor de fuerza de rotura, así también los ensayos que rompen fuera de las marcas de longitud y/o del tiempo designado por la norma. - Procesar los valores de los ensayos válidos estadísticamente para determinar la resistencia al cizallamiento. Y aplicarlos al diseño de elementos de máquinas. 2.8.4. Datos obtenidos del ensayo de cizalladura - El resultado del ensayo se expresa como la media aritmética del conjunto de pruebas realizadas, la fuerza se expresa en Newton y la tensión en mega pascales. - Se obtiene curvas tensión deformación como la que se muestra en la siguiente figura. - Determinar la resistencia al cizallamiento del material ensayado. - Determinar el porcentaje de alargamiento sufrido por la probeta. - Estudiar las características de las fracturas originadas.

Figura 2.35. Diagrama de curva tensión-deformación en ensayo de cizall adura.

2.9. ENSAYO DE TORSIÓN Norma: ASTM E-143 Es un método de ensayo de materiales metálicos utilizado para determinar el comportamiento de materiales sometidos a cargas de giro. Muchos metales cuando están en servicio soportan fuerza de torsión (momento torsor). Entonces es necesario conocer las características del material para diseñar el elemento de máquina de tal forma que los esfuerzos a los que va a estar sometido no superen las propiedades del material y falle. 58


Fig. N° 2.36. Máquina para ensayos de torsión con control computarizado.

2.9.1. Objetivo del ensayo de torsión - Determinar el módulo de rigidez del material ensayado. - Conocer el funcionamiento y manejo de la máquina de ensayo de torsión. - Estudiar las características de la fractura por torsión en materiales dúctiles y frágiles. - Determinar la relación entre momento torsor y ángulo de torsión. - Determinar la deformación angular en los materiales ensayados. - Analizar como es el comportamiento de las secciones transversales en la prueba y determinar el tipo de ruptura que se presenta en el ensayo. 2.9.2. Probeta para el ensayo de torsión Las probetas pueden ser barras de sección circular, tienen una longitud tal que resulte unos 300 mm útiles para el ensayo.

Figura 2.37. Probeta para ensayos de torsión.

2.9.3. Procedimiento para efectuar el ensayo de torsión - Antes de realizar el ensayo de torsión se debe tomar las respectivas medidas dimensionales del cuerpo de la probeta (diámetro y longitud).

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- trazar una línea recta con un marcador permanente de punta fina a lo largo del cuerpo de la probeta; esto con el fin de poder visualizar con mayor facilidad la deformación de la probeta en torsión. - Uno de los extremos de la probeta se fija a la mordaza de la máquina y se verifica en la máquina las condiciones iniciales para el ensayo (tacómetro y medidor de torque en cero). - Aplica un par de fuerzas al extremo libre de la probeta. - La máquina de ensayos, nos da los resultados del ensayo en la pantalla digital. 2.9.4. Datos obtenidos del ensayo de torsión - La resistencia a la tracción se admite que es del 0,6 al 0,8 de la resistencia a la tracción. - Diagramas tensión-deformación. - Determinación del límite elástico de torsión del material ensayado. - Módulo de ruptura en torsión. - La resistencia a la torsión. - Medir la resistencia de soldadura en uniones. - La cantidad de vueltas que dé un extremo con respecto al otro es una medida de la torsión. 2.10. ENSAYO METALOGRÁFICO Es la disciplina científica de análisis y determinación de los constituyentes estructurales de los metales, aleaciones y materiales. El examen metalográfico se puede realizar en una amplia gama de niveles de ampliación, van desde un bajo aumento visual 20x a 1 000 000x veces con microscopios electrónicos. En la metalografía también se puede incluir el examen de la estructura cristalina mediante técnicas como difracción de rayos X. Sin embargo, el equipo más utilizado en nuestro país aún sigue siendo el microscopio metalográfico de luz blanca, con aumentos que van desde 50x a 2000x. 2.10.1. Objetivo del ensayo metalográfico - Revelar con precisión la estructura del material en la superficie de una muestra y/o de una sección transversal de la muestra. El examen metalográfico puede hacerse a nivel macroscópico (simple vista, con la ayuda de una lupa) y/o microscopio. - Se determina las líneas de flujo en productos forjados. - Determinar características de soldadura, profundidad de penetración, la zona afectada por el calor, etc. - Tamaño de grano. - Estudio de superficies fracturadas. - Profundidad y uniformidad de capas endurecidas. - Identificación y cuantificación de fases en aleaciones. - Identificación, distribución de imperfecciones de fabricación, tales como poros inclusiones, etc. Además de estos objetivos se pueden realizar otros trabajos en el ensayo metalográfico. En parte depende el equipo que estemos utilizando. 60


2.10.2. Probeta para el ensayo metalográfico Toma de muestra: - El material de la muestra para el análisis metalográfico debe ser representativo del material que se va estudiar. - Las secciones transversales que se tomen, perpendiculares al eje principal del material, se preparan para que revelen la siguiente información:  Variación de la estructura metalográfica del centro a la superficie.  Distribución de impurezas por toda la superficie de la probeta.  Profundidad de imperfecciones superficiales.  Espesor del recubrimiento protector, estructura metalográfica, etc. - Las muestra longitudinales, nos revelaran:  Extensión de deformación en las impurezas metálicas.  Grado de deformación plástica por distorsión de los granos estructurales.  Efecto de los tratamientos térmicos. - Algunas precauciones:  Cuando el material en estudio ha sido laminado, tomar una muestra en sentido normal al eje principal y otra muestra en dirección de laminación.  Si se trata de estudiar fracturas, las probetas se tomaran de la superficie fracturada y/o lo m ás cercano posible a la rotura y también muestrear de una zona buena para poder comparar resultados. - Algunas condiciones de una probeta metalográfica:  Debe estar libre de rayas, manchas, oxido u otras imperfecciones que desfiguren la superficie a ser analizada.  Debe conservar toda inclusión no metálica.  La probeta metalográfica no debe presentar material deformado porque la microestructura estaría modificada. Las muestras que se utilizan en ensayos metalográficos son de diversos tamaños. Muchas de estas son de tamaño pequeño siendo difícil manipularlas. Por lo que debe de “empaquetarse” para tener comodidad en el manipuleo y preparación de estas. Cuando se ti ene la muestra de tamaño y forma que permita su manipuleo con comodidad para prepararla. Se usan sin empaquetar o montaje. En general en la preparación de las probetas metalográficas se sigue el siguiente procedimiento: - Seccionamiento - Montaje o empaquetado - Desbaste - Pulido - Ataque - Observación microscópica. Seccionamiento: consiste en obtener una muestra representativa y de tamaño conveniente (por ejemplo para muestra cilíndrica: diámetro de 20 a 25mm, alto de 10 a 12mm) a partir de una pieza grande. Si la muestra toma es pequeña y se dificulta ser preparada; es necesario empaquetarlo.

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Figura 2.38. Pieza y muestreo para análisis metalográfico.

Montaje o empaquetamiento: A continuación se indican algunos procedimientos para empaquetar muestras metalográficas. a) Montaje de muestras metalográficas en caliente y presión. Hasta hace algún tiempo, empaquetar las muestras metalográficas pequeñas era bastante laborioso. A continuación damos el procedimiento que era común realizar y se utilizaban equipos como el de la siguiente figura. - Con la palanca de bombeo se elevaba el pistón hasta la parte superior y colocar sobre el pistón la muestra con la superficie a ser analizada hacia abajo. - Girando la perilla para liberar la presión hidráulica bajamos el pistón 4 cm aproximadamente y cubrimos la muestra con resina en polvo. - Colocamos manualmente la tapa del cilindro y la aseguramos. - Encendemos el calentador y vamos incrementando la presión del pistón hasta alcanzar los 1000 psi.

Figura 2.39. Máquina antigua para empaquetar muestras metalográficas pequeñas y muestra empaquetada.

- Descargar rápidamente la presión y volver a incrementar la presión hasta 2800 psi (presión

máxima). - Después de 8 minutos prender el ventilador por el espacio de 15 minutos. - Terminado el tiempo de enfriamiento, disminuir la presión del pistón, luego retirar el seguro de la tapa utilizando guantes resistentes al calor. - Elevar el pistón para retirar de la cavidad del molde la tapa y la muestra empaquetada.

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b) Montaje de muestras metalográficas en frio. El montaje en frio de muestras metalográficas pequeñas, es el procedimiento de empaquetado de muestras más utilizado en la actualidad. - Utilizamos un molde de plástico en cuyo interior se coloca la muestra y se le cubre con alguna mescla de dos o más resinas autofraguante a temperatura ambiente. - Transcurrido el tiempo sugerido por el fabricante de la resina se desmolda y ya tenemos la muestra empaquetada para ser preparada.

Figura 2.40. Empaquetado en frio de muestras metalográficas pequeñas.

c) Montaje mecánico: Es un método rápido, no requiere ningún equipo especial; solamente la muestra, una abrazadera, un tornillo, y un destornillador.

Figura 2.41. Empaquetado mecánico de muestras metalográficas pequeñas.

Desbaste: Es el inicio para la preparación mecánica de probetas metalográficas. Se debe remover la superficie dañada que se genera en la toma de muestra o corte.

La superficie que va a ser analizada metalográficamente se desbasta utilizando papel lija de SiC comprendido entre 60 y 600 sobre una superficie plana y dura (mármol, vidrio grueso, etc.). En cada lija se debe desbastar por 2 minutos en una sola dirección al pasar al siguiente grado de lija la probeta debemos girarla 90° para que las marcas del desbaste anterior queden perpendiculares con las nuevas marcas de la lija más fina. Este procedimiento se repite con las siguientes lijas hasta borrar las marcas dejadas por la lija de grado inferior. El desbaste se realiza con refrigerante para evitar calentar el metal y se origine modificaciones en la estructura de la muestra.

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Figura 2.42. Muestra de latón para ser desbastada.

Pulido: Mediante el pulido se debe eliminar la capa de metal deformado durante el desbaste. Con el pulido se genera una nueva capa con menos deformación. Para el pulido utilizamos papel lija con grado superior a 600 y refrigerante, luego se usa pulidoras semiautomáticas de disco (permiten pulir varias probetas a la vez) con paño de billar, paño de seda, paño de lona, paño de algodón sin pelo, alúmina, etc. También se usa polvo de diamante (de 9 y 6 µm), MgO, SiC de malla 1000, Cr2O3, etc. El abrasivo y paño a usar se selecciona según la dureza del metal que será pulido y la finalidad del análisis metalográfico a realizar en la probeta. Siempre se debe trabajar con refrigerante (aceite de oliva, aceites minerales, agua, etc.). Para el pulido final (tipo espejo) se recomienda utilizar abrasivos de 3, 1 y 0,25 µm, pasta de diamante con dureza 8000 HV, etc. Logrando una superficie pulida, uniforme y libre de rayas. Pulido electrolítico: Para algunos materiales como aceros inoxidables, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio, etc. que son difíciles de pulir por procesos mecánicos se utiliza el pulido electrolítico que generalmente consta de una etapa de nivelación y otra de abrillantamiento. La superficie de la probeta se somete a una electrólisis, utilizándolo ánodo y otro metal como cátodo. Durante el pulido electrolítico se disuelven las aristas y protuberancias, mientras las deformaciones en profundidad se cubren con el material producido por la reacción electrolítica o porque en ellos la velocidad de reacción es menor, obteniéndose un pulido sin material distorsionado.

Figura 2.43. Pulido grueso de muestra metalográficas.

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Ataque: Usado en análisis metalográfico para revelar la microestructura, constituyentes y fases de una muestra bajo el microscopio. Pulida la probeta, se ataca con reactivos químicos apropiados. Estos reactivos dependen del tipo de material metálico que se desea atacar y el tipo de fase que se desea observar al microscopio. Luego del ataque, la probeta es lavada con agua, se debe secar, volver a lavar con alcohol etílico, volver a secar.

En la siguiente figura se observa una muestra de fundición nodular que ha sido previamente preparada y atacada químicamente. Se observa esferoides de grafito, ferrita de color blanco y perlita de color grisáceo.

Figura 2.44. Fundición nodular a 600x

2.10.3. Procedimiento para efectuar el ensayo metalográfico Para realizar el ensayo metalográfico en el microscopio óptico, se sigue la siguiente secuencia: - Primero debemos prender el microscopio. - Colocar la probeta en el porta probeta. - Seleccionar los aumentos que se va a utilizar. Se sugiere empezar la observación con bajos aumentos e ir incrementando si es necesario. - Acercar la probeta asia el lente objetivo del microscopio utilizando las perillas de macro y micro avance hasta lograr una visión clara a través del lente ocular de la superficie a ser analizada. - Con los micrómetros del porta probeta desplazamos la probeta en la dirección de los ejes X, Y horizontalmente para seleccionar el área de la muestra que deseamos analizar con el microscopio. - Definida el área, estudiamos la microestructura, fases, defectos, etc. Tomamos fotografías de las observaciones que estamos realizando con el microscopio para tener un registro de nuestro estudio a diferentes aumento si es necesario. Para realizar el ensayo metalográfico en el microscopio electrónico, se sigue la siguiente secuencia: - El microscopio electrónico es un instrumento que utiliza un haz de electrones acelerados en lugar de un haz de luz blanca como sucede en el microscopio óptico. Con el haz de electrones “ilumina” punto por punto consecutivamente una gran parte de una muestra sólida, produciendo una imagen con una profundidad de campo muy amplia, obteniendo una resolución de entre 1,0 nm a 3,0 nm. 65


El microscopio electrónico de barrido, para su funcionamiento requiere un sistema de alto voltaje, un sistema de lentes electromagnéticas, un sistema de vacío y un sistema de cómputo.

Figura 2.45. Microscopio electrónico de barrido.

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Figura 2.46. Porta probeta del microscopio electrónico de barrido.

2.10.4. Datos obtenidos del ensayo metalográfico - Examen de materiales que han recibido tratamiento térmico (parte central y periférica). - Estudios de segregaciones. - Examen para determinar causas de fallas del material en servicio. - Determinar las fases presentes, distribución, tamaño, etc. en la muestra - Examen de soldadura. - Determinar el tamaño de grano - Determinar la orientación de los granos en materiales laminados, forjados, etc. - Determinación de micro defectos.

Figura 2.47. Fotografía de microestructura formada por ferrita en estructura de Widmanstatten de color blanco y por perlita de color gris. Se utilizó microscopio óptico.

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Figura 2.48. Información de microscopio electrónico de barrido. a) Microfotografía a 20kv, b) Interior de la cámara de vacío.

Figura 2.49. Fotografía de un cabello tomada con microscopio electrónico de barrido. Metal Sample

Fe

Ni Fe

Si Ni

Ti Ti

Fe Ti

1

2

3

4

5

Ni

6

7

8

Full Scale 12713 cts Cursor: 5.825 keV (213 cts)

9 keV

Figura 2.50. Análisis obtenido con microscopio electrónico de barrido.

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2.11. ENSAYOS TECNOLÓGICOS 2.11.1. Definición de ensayos tecnológicos Los ensayos tecnológicos son definidos de diferentes formas. A continuación damos algunas definiciones. - Son ensayos que se utilizan para comprobar si las propiedades de un determinado material son adecuadas para una cierta utilidad. - Los ensayos tecnológicos son, en general, procesos instrumentales ejecutados mediante metodologías arbitrariamente aceptadas como referentes que tratan de poner de manifiesto o cuantificar diversas características asociadas al servicio o fabricación de los materiales industriales. Todo ello realizado de mutuo acuerdo con el proveedor y/o cliente, con arreglo a una normativa general o a un procedimiento particular de ensayo y evaluación. 2.11.2. Ensayo a la lima La dureza no es una propiedad fundamental de un material sino que está relacionada con las propiedades elástica y plástica. Se puede llegar a determinar por comparación entre materiales conociendo la dureza de uno de ellos. El ensayo a la lima es el procedimiento más simple para apreciar la dureza de los metales, es un ensayo dinámico por rozamiento, método muy simple y reservado exclusivamente para determinar el templado en materiales ferrosos. Consiste en dar unos p ases con la lima (de sección 8”x1” x ¼”) sobre el metal a ensayar. Si se observa penetración (arranque de partículas de metal con la lima) se concluye que dicho material no es templado y su dureza será inferior a 60 Rockwell C (HRc). Si no hay penetración la dureza del material es superior a 60HRc y puede considerarse templado. Los resultados obtenidos con este ensayo son imprecisos.

Figura 2.51. Ensayo de dureza a la lima

2.11.3. Ensayo a la chispa El ensayo a la chispa, permite identificar de forma rápida y aproximada el tipo de acero y el porcentaje de carbono presente en el acero que se está analizando. 69


Para dar una interpretación correcta de la chispa y poder identificar el acero que se está analizando; se requiere experiencia. La chispa se produce al presionar una pieza de una aleación ferrosa contra un esmeril (muela) girando a gran velocidad arrancándole partículas de material, las cuales son proyectadas tangencialmente por la periferia del esmeril. Al mismo tiempo que tiene lugar este desprendimiento de material, se produce un fuerte calentamiento local, las partículas se desprenden a altas temperaturas que las ponen incandescentes, produciéndose rayos luminosos, chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas, etc. Este ensayo no puede sustituir al análisis químico, pero alguien con un ojo bien entrenado, reconoce bastante bien los materiales y la presencia de ciertos elementos de aleación. NOTA: Debe tenerse en cuenta que la carburación o descarburación de un acero puede ser causante de clasificar mal un acero, si para hacer la prueba de la chispa necesita una porción de una pieza, ¡no sobrecaliente la muestra al momento de tomarla de una pieza!. Cada tipo de acero produce una serie de chispas características, mediante la observación de éstas y la comparación con fotografías pueden identificarse determinados tipos de aceros. Esta comparación se debe hacer en un lugar donde no haya mucha luz y la persona debe tener un ojo bien desarrollado. También se pueden tomar fotos o videos y comparar. En cuando al tipo de chispas proyectadas, aquí se indican algunas características importantes: Características de la chispa Un haz de chispa puede dividirse en tres zonas principales las cuales son mostradas en la siguiente figura. La primera zona, a la salida de la piedra del esmeril, que se encuentra formada por rayos rectilíneos en los que puede observarse perfectamente el color característico. La segunda zona, es la de bifurcación, y algunas veces tiene lugar en ella algunas explosiones. La tercera zona, y última, es donde aparecen la mayor parte de las explosiones, adopta diversas formas, que se denominan estrellas, gotas, lenguas, flores, etc. La observación debe de hacerse, en lo posible, en lugar oscuro. La rueda de esmeril debe de girar en sentido contrario al ordinario, para que el haz de chispas se proyecte hacia arriba y poder así observarlo mejor.

Figura 2.52. Características de los diferentes tipos de chispas y las zonas de desarrollo.

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Influencia de los componentes Carbono: Los aceros que contienen entre 0,15 y 0,13 % de carbono dan chispas formadas por rayos lisos de color amarillo oscuro, en cuya punta aumenta ligeramente el volumen y la luminosidad. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta el número de explosiones en formas de lanzas y flores, siendo más brillantes y luminosas. Molibdeno: Se identifica, en los aceros que lo contienen, por aparecer en los extremos de los rayos amarillos una prolongación completamente separada de color rojo anaranjado. Wolframio: También se identifica con facilidad, porque da chispas de color rojo oscuro, menos luminoso que el de todos los aceros, que sólo se aprecia en locales oscuros. Si la cantidad de Wolframio es más de 18%, las chispas son todas rojas, aunque a veces se producen ligeras explosiones de color rojo.

A continuación se presenta unas fotografías de algunos aceros ensayados por chispa. Acero templado y revenido. AISI - estándar 4140

Forma de las chispas: Ramillete con espinas, puntas de lanza de color rojo. Composición en %: 0,42C 1,1Cr 0,2Mo

Acero. AISI 1045

Forma de las chispas: Líneas continuas, más espinas se formaron por estallidos de carbono. Composición en %: 0,45C 0,3 Si 0,7Mn 71


Acero aleado con Mn-Si. AISI estándar S4

Forma de las chispas: Antes de los estallidos de C se incrementa la luz en el flujo primario. Muchos ramos pequeños. Composición en %: 0,60C 1,0Si 1,1Mn 0,3Cr

Acero aleado para herramientas. AISI estándar O2

Forma de las chispas: Flujo de líneas amarillas, aclarando en el centro, formando espinas en los extremos. Composición en %: 0,90C 2,0Mn 0,4Cr 0,1V Acero para herramientas aleado Cr-W. AISI estándar 01

Forma de las chispas: Un flujo delgado y lineal, el cuadro de la chispa vivo, l íneas discontinuas en la cabeza. Composición en %: 1,05C 1,0Mn 1,0Cr 1,2W

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Acero para trabajo en caliente, alta aleación.

Forma de las chispas: Un flujo delgado y lineal, el cuadro de la chispa vivo, l íneas discontinuas en la cabeza. Composición en %: 0,4C 1,0Si 5,3Cr 1,4Mo 1,0V Acero inoxidable

Forma de las chispas: Flujo continuo, línea sin los estallidos de carbono Composición en %: < 0,07C 18,5Cr 9,0Ni Figura 2.53. Chispas características de algunos aceros ensayados por el END de la chispa. Fuente:http://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/mecanica-ingenieria/ciencia-de-los-materiales/2014/ii/guia-1.pdf

2.11.4. Ensayo de embutición Este ensayo se utiliza para determinar la aptitud de una lámina metálica a ser sometida a una embutición profunda; es decir, a una deformación permanente mediante una matriz. Fundamento: Consiste en someter a una lámina sujeta por los lados, a la acción de una estampa de punzón que actúa sobre ella, produciendo una presión de embutición hasta que empieza a desgarrarse; dicho valor es la medida de la aptitud del material a la embutición profunda. Se debe observar el aspecto de la probeta estirada para determinar su comportamiento y aptitud para fines previstos. Es de suma importancia la observación de la rugosidad superficial de la lámina metálica por la deformación y la orientación de fisuras al momento de la rotura, lo que nos permite hacer un juicio crítico de la estructura cristalina del material en lo referente al tamaño de grano. 73


Técnica del ensayo: - Usar láminas de hasta 0,2 mm de espesor debiendo tener una superficie mínima de 70 x70 mm. - Sujetar la lámina entre la matriz y el soporte anular. - Ubicar en posición cero. La matriz se pone en contacto al avanzar hacia la superficie de la plancha. - Empezar el ensayo, desplazando la matriz de prueba hasta que alcance un desplazamiento máximo, que lo alcanza cuando se produce la primera fisura. - Determinar la carga aplicada mediante la lectura de la caída de carga aplicada en la máquina la fisuración de la lámina.

Modalidades de ensayo:  Embutición simple.  Embutición profunda por vasito.  Embutición con ensanchamiento de agujero.

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UNIDAD III


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3.1. DEFINICIÓN DE ENSAYO NO DESTRUCTIVO (END), APLICACIÓN En el mercado industrial moderno, tecnificado y competitivo, existe una creciente demanda de métodos más severos, rápidos y confiables para el ensayo de materiales. Los requerimientos de mayor cantidad y calidad de producción, planteados por el incesante avance tecnológico, han polarizado abiertamente la preferencia industrial de los países más desarrollados hacia las técnicas de ensayos no destructivos. Definición: Los ensayos no destructivos se definen como aquellas pruebas basadas en métodos físicos indirectos como es la transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación, etc. que se realizan a un material metálico mediante el uso de herramientas, sustancias o máquinas las cuales no producen alguna alteración irreversible de su composición química, mecánica o de su geometría dimensional con el fin de comprobar sus características dimensionales, físicas, mecánicas y detección de defectos para poder verificar la calidad de dicho material y hacer una correcta aplicación de ellos. Estos ensayos complementan a los ensayos destructivos. Aplicación: Los ensayos no destructivos se pueden aplicar en: - La recepción de materiales. - El proceso de fabricación. - Verificación final de productos para entrega. - La comprobación de partes y componentes que se encuentren aun en servicio.

La mayoría de los END son empleados para garantizar que el material inspeccionado cumple con los requerimientos exigidos por las normas, especificaciones, etc. Los ensayos no destructivos más comunes son:  Inspección visual.  Líquidos penetrantes.  Ultrasonido.  Partículas magnéticas.  Radiografía industrial.  Replicas metalográficas.  Electromagnetismo (corrientes de Eddy). 3.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVO Las características ventajosas de estos ensayos pueden resumirse en los sig uientes:  Los

ensayos no destructivos son realizados directamente sobre la pieza que deberá prestar servicio, por lo tanto, no hay dudas respecto a la representatividad de los resultados, cosa que no ocurre en los ensayos destructivos donde, si bien las muestras pueden seleccionarse con

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criterio estadístico, siempre existe la posibilidad de que las propiedades de algunas piezas estén completamente extrapoladas del conjunto.  Los ensayos no destructivos pueden aplicarse sobre el total, o parte, de la producción e incluso sobre toda la pieza, o en distintas zonas críticas de la misma, según convenga. Este hecho posibilita mantener su nivel de calidad uniforme, lo que se transfiere directamente al prestigio de una marca.  Algunas técnicas de los ensayos no destructivos son aptas para la detección de varias propiedades del material ensayado, por lo tanto, estas últimas pueden verificarse simultáneamente o consecutivamente.  Los ensayos no destructivos pueden, a menudo, ser aplicados a piezas integrantes de un conjunto sin necesidad de desmontarlas del mismo, en un tiempo prácticamente similar al necesario para un mantenimiento de rutina.  Los ensayos no destructivos pueden ser aplicados a una misma pieza, en forma repetida, cualquier número de veces. Esto posibilita determinar claramente la correlación de las fallas con la prestación de servicio de la pieza.  Las piezas que deben ser controladas con técnicas no destructivas, en general, necesitan muy pequeñas (o ninguna) adaptación para efectuar el ensayo.  La mayoría de los ensayos no destructivos son de respuesta sumamente rápida, lo que posibilita la automatización del control de procesos con el consiguiente abaratamiento del costo (respecto del ensayo destructivo adecuado para determinar las mismas propiedades). El éxito de la aplicación de un ensayo no destructivo en un problema de inspección está supeditado al cumplimiento de los siguientes requisitos:  Que el ensayo permita desarrollar correctamente las etapas básicas de la inspección, de manera que la misma pueda realizarse al ritmo de la producción y que los resultados no sean afectados por el juicio subjetivo y cansancio del operador.  Que teniendo en cuenta los factores económicos, el ensayo sea programado bajo el criterio de rendimiento y de beneficios económicos máximos. 3.3. CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN Los ensayos no destructivos se clasifican en: - Métodos de inspección superficial. Aquellos END utilizados para localizar defectos: Inspección visual, líquidos penetrantes, partículas magnéticas. - Métodos de inspección volumétrica. END que son usados para determinar características dimensionales, físicas o mecánicas: Ultra sonido, ra diografía industrial. Clasificación de los ensayos no destructivos según su utilidad:

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Estructuras

Prop. físicas

Metrología

Defectología

Estudio de materiales

Discontinuidades

Impurezas Espesores

Corrosión

Recubrimientos

Fugas

Figura 3.1. Clasificación de los ensayos no destructivos

3.4. ETAPAS DE LA INSPECCIÓN Las etapas básicas de la inspección de un material aplicando métodos no destructivos pueden resumirse en las siguientes: a) Elección del método y técnicas operativas. En la elección del método y las técnicas operatorias se debe tener en cuenta el tipo de material, su proceso de elaboración, el tamaño, la forma geométrica y el tipo de heterogeneidad que buscamos medir o detectar. Debemos tener en cuenta que todos los métodos presentan limitaciones por el tipo de material, por la geometría de la pieza o por la sensibilidad de detección. b) Obtención de un indicador. Para obtener un indicador de las heterogeneidades mediante los END, debemos tener en consideración los siguientes factores: - Naturaleza de la heterogeneidad (impurezas o discontinuidades). - Forma (esférica, cilíndrica, laminar, plana, etc.). - Su ubicación (superficial, subsuperficial, interna). - Su tamaño. Resumiendo, para obtener una indicación apropiada de una heterogeneidad presente en un material es necesario conocer las características del producto, las posibles heterogeneidades que podemos encontrar en él y los tipos de heterogeneidades que podemos detectar con las distintas técnicas de ensayos. c) Interpretación de la indicación. La interpretación consiste en hallar la relación entre la indicación observada con la naturaleza, forma, ubicación, orientación y tamaño de la heterogeneidad, es decir la interpretación es el dictamen sobre qué es lo que da motivo a una indicación. d) Evaluación de la indicación. Después de obtenida e i nterpretada una indicación, debe evaluarse. La evaluación consiste en hallar la relación entre la heterogeneidad detectada y los valores 78


indicados en las normas de aceptación. Así como la interpretación es una función propia del especialista en END, la evaluación es responsabilidad de ingeniería, que fija el nivel de calidad, es decir los límites de aceptación o rechazo, para que control de calidad actúe. 3.5. INSPECCIÓN VISUAL Durante la inspección visual, se utiliza el ojo humano como principal elemento, y en ocasiones, recibe ayuda de algún dispositivo óptico y algunas otras herramientas, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes (anteojos, lupas, espejos, linternas, calibradores, reglas, escuadras, niveles, etc.) o bien para proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, acc eso, tal como es el caso del interior de tuberías de diámetro pequeño, en cuyo caso se pueden utilizar boroscopios, ya sean estos rígidos o flexibles, pequeñas videocámaras, etc. La inspección visual es la primera actividad que debemos realizar contra la aparición de defectos, por cuanto se aplica desde el mismo instante de la recepción de los materiales, como también durante el proceso mismo de fabricación o construcción del elemento o pieza, permitiendo la corrección oportuna del error y eliminando su repetición; también al final del proceso, cuando se realizan los acabados para presentar el producto al cliente. Cualquier otro método de END que se aplique, se hará para complementar la l a inspección visual, ya que esta es irremplazable. 3.5.1. Objetivo de la inspección visual La inspección visual tiene como objetivo administrar y supervisar la observación que se realiza a lo largo de todo el proceso productivo o servicio que se brinde. - Permite identificar materiales que no cumplen con su especificación. - Permite detectar errores durante el proceso de fabricación. - Facilita la corrección de defectos durante el proceso de fabricación para evitar rechazos

posteriores. - Reduce la necesidad de aplicar ensayos no destructivos posteriores. - Reducir costos de control de calidad. - Contribuir al cumplimiento de las normas usadas en los procesos de fabricación. 3.5.2. Procedimiento para efectuar la inspección visual Para realizar una inspección visual debemos realizar un procedimiento como el que indicamos a continuación: - Primero determinar la accesibilidad a la l a zona del elemento que se debe inspeccionar. - Si hay accesibilidad, la inspección se realiza directamente. En caso contrario, la inspección se debe realizar en forma remota o usando métodos translucidos (radiografía industrial, por ejemplo). - Debemos verificar que la iluminación en la zona de inspección sea la más adecuada. 79


-

Luego se procede a preparar la superficie a ser observada. Verificamos las condiciones que presenta la superficie. Realizar la inspección del material sometido a control. Evaluamos la superficie inspeccionada Finalmente elaboramos el informe.

3.5.3. Datos obtenidos de la inspección visual La inspección visual nos permite determinar la apariencia del material, porosidades, fisuras, error de dimensiones, deformaciones, fallas de proceso, etc. 3.6. RÉPLICAS METALOGRÁFICAS Norma: ASTM E-512-87 La réplica metalográfica o metalografía no destructiva es una de las técnicas contempladas en los ensayos no destructivos, utilizada en forma no rutinaria en el análisis metalográfico en equipos y componentes en servicio que trabajan a presión y temperatura en forma continua, poda vez que no se pueda extraer una muestra metalográfica para conocer los cambios microestructurales que hubiesen ocurrido. 3.6.1. Objetivo del ensayo por réplicas metalográficas - Nos permite realizar un estudio metalográfico, trabajos de investigación en materiales que están en servicio. - La réplica metalográfica permite detectar heterogeneidades y defectos superficiales en equipos y componentes en servicio. - Permite determinar cambios microestructurales de metales que están en servicio. - Permite detectar cambios microestructurales a nivel de la superficie de los componentes como: grafitización de aceros al carbono, crecimiento de grano, descarburización y globalización de la perlita o Cementita en la perlita. En aceros microaleados, como aceros de la familia Cr-Mo, se puede evaluar el grado de coalescencia de los carburos, carburización superficial, desarrollo de microcavidades de creep, microgrietas de fatiga, mecanismos de recristalización, evidencia de bandas de deformación y maclado, etc. 3.6.2. Procedimiento para efectuar la réplica metalográfica - Se debe determinar la zona donde se aplicara la réplica. - Preparar en forma meticulosa y adecuada la superficie a ser estudiada en forma similar a cualquier muestra metalográfica de laboratorio (consiste de desbaste primario, secundario, pulido primario y secundario, con alúmina de 3µm y 1 µm respectivamente. Lavado con agua y alcohol después de cada desbaste y pulido) pero con sobre ataque químico (usar el reactivo químico adecuado para cada material a ser estudiado) para magnificar las interfases y relieves que puedan ser copiados por el celuloide.

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- Copiar la textura y relieves (interfases como bordes de grano, límites de maclas, depresiones por presencia de carburos, microgrietas, etc.) de la superficie de cualquier metal o aleación mediante la utilización de un celuloide, el cual se prepara adecuadamente (a la película de celuloide se aplica un líquido emulsificante base acetona. Después de un minuto de ablandamiento de la réplica, esta se aplica sobre la superficie con ataque químico previo, presionando la réplic a sobre la superficie de análisis) y se presiona sobre la superficie preparada. - Después de 5 minutos, la réplica se retirar y se pega sobre un vidrio portaobjeto para analizarlo con el microscopio metalográfico (máximo 1000x). - El proceso se repite en triplicado para cada punto de análisis, obteniéndose así tres réplicas por punto.

Figura 3.2. Réplica y zona preparada en tubería de caldero.

3.6.3. Datos obtenidos en la réplica metalográfica Los datos que se obtienen mediante la réplica metalográfica son similares a los datos obtenidos por metalografía clásica, como la estructura cristalina, tamaño de grano, bordes de grano, fases, precipitados de carburos, microgrietas, micro deformaciones. Acero ASME SA 213 T11

Figura 3.3. Fotomicrografía obtenida con réplica metalográfica. En el acero ASME SA-213 T11, se observa ferrita poliédrica y carburos distribuidos en la matriz. 400x.

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3.7. LÍQUIDOS PENETRANTES Es una técnica de ensayo no destructivo que se aplica a materiales no porosos, utiliza una tinta de alto nivel de fluidez sobre un material metálico, en cual por efecto de capilaridad fluirá dicho líquido en las irregularidades superficiales o subsuperficiales con abertura externa; evidenciando (con la ayuda de un revelador) el defecto que allí se encuentre. El tiempo exacto de penetración solo puede determinarse experimentalmente para cada caso en particular, aunque se anticipe que depende del tipo de falla, la temperatura y las condiciones climáticas del medio en el que se realiza el ensayo. Generalmente aumenta a medida que disminuye el tamaño de las fallas que se desea detectar. Para alcanzar buena sensibilidad en estos ensayos es conveniente que: - Los líquidos sean de alta penetración y de potente coloración. - El tiempo de penetración sea suficiente. - La limpieza superficial de la pieza ensayada sea correcta. Teniendo en cuenta estas indicaciones las fallas resultan fácilmente detectables. 3.7.1. Fundamento del método Este método se basa en la capacidad de ciertos líquidos para penetrar y ser retenidos en fisuras, grietas, poros o huecos abiertos a la superficie de un material cuando son aplicados sobre estos. Esta capacidad depende principalmente de tres propiedades: mojabilidad o ángulo de contacto entre líquido y sólido; tensión superficial y viscosidad. - Mojabilidad , al depositar una gota de líquido sobre una superficie tendremos un punto en el cual

se puede considerar aplicadas tres fuerzas debidas a la tensión superficial; una correspondiente a la interfase sólido-aire ( ), otra la interfase líquido-sólido ( ) y la tercera en la interfase airelíquido ( ).







Si la gota no se extiende en la superficie existirá un equilibrio entre las tres fuerzas y por lo tanto:

 = +.  >

Si el líquido moja la superficie: . Para mantener el equilibrio Cos ϴ debe ser mayor que cero, es decir que el ángulo que forma la interfase líquido-aire con la interfase líquido-sólido debe ser menor que 90°. En caso contrario, si el líquido no moja la superficie ϴ será mayor que 90°. En la siguiente figura se esquematiza.

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Figura 3.4. Condiciones de mojabilidad. a) Moja la superficie sólida y b) No moja la superficie.

El primer caso corresponde a una gota de agua y el segundo al de una gota de mercurio, ambas gotas sobre un cristal plano. σe, σs y σes son valores característicos para cada líquido o sólido y para cada par de líquido-sólido en contacto. Un punto importante para el método de líquido penetrante es que el valor de σ es no solo depende del líquido y del sólido en contacto sino también del estado superficial del sólido, pudiendo además ser variado o disminuido mediante el agregado de aditivos al líquido. Estos aditivos pueden disminuir el valor de ϴ en tal grado que aún con el valor de ϴ tendiendo a cero no se alcanza el equilibrio por resultar . El resultado tiende a formar una capa molecular si no actúan otros fenómenos (evaporación por ejemplo). La mojabilidad será pues, una de las propiedades fundamentales en el comportamiento de los líquidos penetrantes.

 > + 

- Tensión superficial , es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad

de área. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies solidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. - Capilaridad , es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su

vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. La relación entre ángulo de contacto, tensión superficial y viscosidad puede ser establecida mediante la observación del fenómeno de capilaridad. Si en un líquido introducimos un tubo capilar se podrán observar que si el mismo moja las paredes ascenderá dentro del tubo capilar hasta un cierto nivel en el cual se establece un equilibrio entre la resultante de las tensiones superficiales y las fuerzas inerciales, gravitacionales y de viscosidad. Si el líquido no moja las paredes se producirá una depresión dentro del tubo, cuyo valor depende de las mismas fuerzas actuantes, con la diferencia de que ahora (tensión superficial sólido-líquido) es mayor que y por lo tanto su resultante se opone al ascenso del líquido.





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Figura 3.5. Fenómeno de capilaridad. El agua penetra en el tubo capilar y el mercurio no.

Para que un líquido tenga un buen poder de penetración debe poseer elevada tendencia superficial, un pequeño ángulo de contacto y baja viscosidad. Esto ha llevado a proponer el cálculo de un valor numérico para evaluar la penetrabilidad de un líquido, mediante la siguiente ecuación.

Donde: CP: coeficiente de penetrabilidad. σ : tensión superficial. Ƞ : viscosidad.

= 2

En la práctica estos valores calculados en base a datos obtenidos en condiciones de laboratorio, no son siempre coincidentes con la aptitud demostrada por diferentes líquidos en las condiciones en debe realizarse el ensayo. Ya mencionamos la importancia de los aditivos en las variaciones de la tensión superficial por lo tanto su valor en un líquido puro o con una determinada formulación será tan importante como la susceptibilidad del mismo frente a agentes contaminantes y a las condiciones superficiales de la pieza en examen. En cuanto a la viscosidad, debe tenerse en cuenta el total de las etapas de que consta el método, pues si bien debe lograse la mayor y más refinada penetración del líquido es también importante que el líquido no sea fácilmente extraíble de la fisura durante la etapa de remoción del exceso y por lo tanto en esta segunda etapa una mayor viscosidad puede resultar un factor coadyuvante para obtener una mejor performance en la aplicación del método. Observaciones realizadas por muchos investigadores indican que los factores a tener en cuenta para formular un buen líquido penetrante conducen a situaciones difíciles de resolver, ya que se deben considerar no solo efectos físicos. Por ejemplo, Bank, ha encontrado que el ángulo de contacto ϴ de aceites sobre metales en presencia de agua se relacionan con la basicidad del óxido hidratado del metal y por lo tanto con su tendencia a reaccionar con los constituyentes acídicos del aceite. Encontrando que el cobre y el zinc eran mucho más oleofílicos que el hierro en estas condiciones, simplemente porque ambos, en presencia de agua, reaccionan químicamente en forma diferente. No obstante, como una aproximación de primer orden puede asumirse que elevada tensión superficial, bajo ángulo de contacto y baja viscosidad, contribuyen a una buena penetración. La evaluación final de un líquido penetrante será obtenida, por su puesto, mediante mediciones físicas de su sensibilidad de detección utilizando piezas de ensayo normalizadas.

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En la siguiente tabla damos los coeficientes de penetración (CP) para diversos líquidos. Tabla 3.1. Coeficiente de Penetración Coeficiente de penetración Líquido Calculado Observado Agua 11,31 11,40 Benceno 8,90 9,90 Alcohol etílico 5,35 5,65 Alcohol isobutílico 3,75 3,70 De acuerdo al mismo vemos que el agua tiene un aceptable v alor de CP debido a su elevada tensión superficial y baja viscosidad. No obstante falla en satisfacer la tercera condición ya que su ángulo de contacto con la mayoría de los sólidos es elevado. La adición de agentes humectantes tiende a reducir este ángulo pero también baja su tensión superficial y al hacer el balance es poco lo que se gana. Los líquidos orgánicos tienen ángulos de contacto muy pequeños, o iguales a cero y sus tensiones no difieren sustancialmente entre sí, por lo tanto las diferenciales no difieren sustancialmente entre sí, por lo tanto las diferencias en viscosidad son las que asumen primordial importancia. Actualmente el rango de líquidos orgánicos teóricamente aceptables como penetrantes apropiados es muy amplio. Las principales limitaciones aparecen sin embargo, cuando se considera la etapa de remoción del exceso de penetrante aplicado. A la buena propiedad como penetrante, debe sumarse la propiedad de ser removido fácilmente de la superficie en que se ha aplicado y quedar al mismo tiempo retenido firmemente en los defectos. Esta condición puede ser obtenida mediante apropiadas mezclas de líquidos orgánicos. 3.7.2. Clasificación de los líquidos penetrantes Existen varios tipos de líquidos penetrantes, según la norma ISO 9712, ASME SE-165-1000-1-6866 podemos dar la siguiente clasificación: Tabla 3.2. Clasificación de líquidos penetrantes Tipo Técnica 1. Lavable con agua A (tintas fluorescentes) 2. Postemulsificables 3. Removible con solvente 1. Lavable con agua B (tintas coloreadas) 2. Postemulsificables 3. Removible con solvente 3.7.3. Procedimiento del ensayo con líquidos penetrantes El método de ensayo con líquidos penetrantes comprende las siguientes operaciones: (Puede variar según el fabricante de las sustancias utilizadas. Leer instrucciones) - Preparación de la superficie a examinar. Se debe retirar cuerpos extraños adheridos, irregularidades superficiales, oxidaciones, salpicaduras de soldadura, escoria de soldadura, etc. Esto se puede realizar con métodos mecánicos, tales como granallado con metales blandos o 85


cepillado con cepillos de alambre blando, siempre que la pieza tenga una dureza superior a los 49HRc. En general no se recomienda el uso de arenado, lijado, cepillado con cepillo de acero o escarpado, pues existe el riesgo de que la deformación superficial producida cierre las fisuras u otros defectos.







 

En la preparación de la superficie se debe realizar: Desengrase, generalmente con detergente alcalino a una concentración adecuada, a temperatura ambiente o en caliente (70°C a 80°C), se aplica por inmersión o bien con brocha. Además, se puede desengrasar a vapor. Desoxidación y descarbonillación, se utiliza disolventes ácidos o alcalinos, neutralizándolos a continuación para evitar el deterioro de la superficie en preparación. Se puede utilizar la limpieza ultrasónica o las electrolíticas para evitar el uso de sustancias contaminantes del medio ambiente. Eliminación de pinturas, se realiza con disolventes, decapantes alcalinos o ácidos aplicados por inmersión o brocha. Se puede usar otros procedimientos como lijas, sopletes, etc. Pero se requiere experiencia para evitar tapar las salidas al exterior de los defectos. Eliminación de productos ácidos, se realiza con agua neutra, las veces que sea necesario y secar. Secado de la superficie, las superficies antes de recibir el penetrante deben secarse con aire caliente, con aire natural o con trapos que no dejen pelusas.

- Limpieza efectiva de la parte a examinar incluyendo un buen secado. Esta limpieza debe remover

todo vestigio de grasa, aceites, suciedades, polvo, evitar la presencia de agua, etc. El éxito de cualquier ensayo con líquidos penetrantes, es en gran parte, dependiente de que la superficie se encuentre libre de cualquier contaminante que interfiera en el proceso. Seguir la secuencia indicada anteriormente. La norma ASTM E165 menciona varios métodos de limpieza: - Limpieza con detergentes. - Solvente removedor. - Vapor removedor. - Limpieza ultrasónica. - Soplado abrasivo, cuando no va a influir en el proceso de detección de defectos por líquidos penetrantes. - Secado posterior a la limpieza, es importante que la parte a examinar este bien seca con el fin

que no quede agua ni solvente retenido en los defectos, ya que aquellos impedirían la entrada del penetrante. El secado se puede realizar con lámpara infrarroja, estufas o con aire caliente. - Aplicación del líquido penetrante de manera que cubra toda la superficie. Esto se realiza luego

que la superficie a inspeccionar está perfectamente limpia y seca. La forma de aplicar el penetrante no depende del tipo de proceso utilizado sino, fundamentalmente, de las condiciones en que se debe operar, el tipo, tamaño y cantidad de piezas a examinar. Los modos de aplicación son por inmersión, pulverización o pintado. El método por pulverización se realiza

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generalmente en piezas grandes o en casos que la inspección es en zonas determinadas, como es el examen de cordones de soldadura. - Dejar transcurrir el tiempo necesario para la penetración del líquido. Este tiempo puede variar

entre algunos minutos y una hora aproximadamente, de acuerdo con las diferentes formas en que se encuentra el material a ser examinado (fundición, laminado, forjado, soldadura, etc.). Estos tiempos están normalizados, pero lo más seguro es utilizar como mínimo el tiempo sugerido por el fabricante. - Remover el exceso de líquido penetrante de la superficie evitando que sea extraído el que ha

penetrado en las fallas. Esta remoción puede hacerse mediante pulverización con agua, por arrastre con trapos humedecidos en solvente o bien por pulverización con agua previa aplicación de un agente emulsificador, según sea el tipo de líquido penetrante usado. Cuando se trabaja en superficies muy pulidas, es aconsejable utilizar solamente trapos limpios para retirar el excedente del penetrante. - Dejar secar la superficie y aplicar el revelador, que puede ser talco o alguna otra sustancia

mineral finamente pulverizada, en forma de polvo seco o en suspensión alcohólica que una vez evaporada deja una fina capa de polvo. - El revelador tiene por función extraer el líquido penetrante retenido en las fallas que al

difundirse en la superficie cubierta con el revelador ofrece indicaciones visibles de la presencia de las mismas. Si el líquido penetrante es coloreado (rojo) se tendrá un buen contraste con respecto al fondo blanco del revelador. Si es fluorescente deberá ser observado con luz ultravioleta (luz negra). El revelador puede ser polvo en suspensión acuosa, o polvo en solución no acuosa. El revelador en solución no acuosa puede ser usado con todos los tipos de penetrantes y procesos, es el que da la más alta sensibilidad. Antes de ser aplicado el revelador debe ser agitado. - Evaluar los defectos que se revelen, y tomar la decisión más correcta teniendo en cuenta el uso

que se le dará al elemento examinado. Con penetrantes rojos que son visibles a la luz blanca solo se requiere una buena iluminación para evaluar la información. Cuando se usa penetrante fluorescente, se requiere un equipo de luz negra (ultravioleta) y una cámara oscura. La luz negra debe tener una longitud de onda entre 3000 y 4000Å. - Limpieza final. Finalizada la evaluación se debe limpiar el elemento examinado para que

continúe con la siguiente etapa del proceso industrial. 3.7.4. Uso del ensayo con líquidos penetrantes El método de inspección por líquidos penetrantes, nos permite detectar fallas internas con abertura externa, como poros grietas, tamaño de los defectos no es confiable.

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3.7.5. Información obtenida con el ensayo de líquidos penetrantes La observación y evaluación de las indicaciones, debe iniciarse inmediatamente después del secado del revelador, y debe repetirse, por lo menos una vez, después de transcurridos 10 minutos, aproximadamente. La interpretación de los resultados debe hacerse en un intervalo de tiempo comprendido entre 7 y 30 minutos a partir que la capa del revelador este seca.

Figura 3.6. Turbina inspeccionada mediante procedimiento con líquido penetrante coloreado.

Figura 3.7. Diferentes etapas del método con líquido penetrante coloreado.

88


Para el caso del líquido penetrante coloreado, la observación debe hacerse con luz natural o artificial, asegurándose en ambos casos que la iluminación este entre 300 y 500 luz, sobre la superficie de la muestra en estudio. Con este tipo de penetrante, indicaciones se verán generalmente de un rojo intenso, que contrasta con el fondo blanco originado por la capa del revelador. La intensidad de color y la velocidad con que se extiende, está relacionada con la profundidad del defecto. Es decir que, inicialmente, aparecerán las indicaciones de las fisuras, y el posterior ensanchamiento en determinadas zonas, será una medida de la profundidad de las fisuras, o sea, que el penetrante se extenderá sobre la superficie. Fisuras muy estrechas o parcialmente cerradas mostrarán una línea de trazos. Poros muy finos serán indicados por puntos distribuidos al azar, o agrupados en áreas localizadas. Astillas adheridas aparecerán como indicaciones difusas que, observadas con aumento, mostrarán que el color proviene del colorante debajo de las mismas. 3.8. PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Norma: ASTM E-709, ASME SEC V ART-7 El ensayo por partículas magnéticas es un procedimiento utilizado fundamentalmente en la detección de defectos superficiales o subsuperficiales, basados en la acumulación de partículas de material magnetizable (revelador), debido a los campos de fuga que las discontinuidades producen en los materiales, a los que se les ha aplicado un campo magnético. Estos materiales deben ser de alta permeabilidad magnética (ferromagnéticos), aleaciones de níquel, aceros en general, aleaciones de cobalto. No se puede aplicar a materiales como aluminio, cobre, zinc, magnesio o aceros inoxidables austeníticos que son diamagnéticos o paramagnéticos. Este método fue inventado por W. E. Hoke del Bureau of Standars en 1920, introducido a la industria por A. V. de Forest en 1928, quien juntamente con F. B. Doane formó en 1934 Magnaflux Corporation. 3.8.1. Fundamento del método Denominemos imán, a todo aquel cuerpo que tenga la propiedad de atraer otras sustancias llamadas ferromagnéticas. Esa característica de atracción se llama magnetismo, y se debe a un efecto de inducción magnética ejercido por el imán sobre el otro cuerpo, al que transforma momentáneamente en un imán. A toda sustancia que sea afectada por la proximidad de un imán la denominamos cuerpo magnético y se dividen en:  Ferromagnéticos, son frecuentemente atraídos por un imán (hierro, níquel, cobalto, la mayor parte de los aceros). 89


 

Paramagnéticos, son levemente atraídos por un imán (platino, aluminio, cromo, potasio, estaño, etc.). Diamagnéticos, son levemente repelidos por un imán (plata, plomo, cobre, mercurio, etc.).

- Campo magnético Campo magnético es el espacio exterior al imán dentro del cual se ejerce el efecto de inducción. O sea, el campo magnético está conformado por el conjunto se todas las líneas de fuerza, cuyo número y forma dependen del foco magnético o fuente que generó el campo. Las líneas de campo son siempre perpendiculares a la dirección de la corriente. Línea de fuerza es una curva tal que en cada uno de sus puntos es tangente a la dirección que tomaría una aguja imanada (brújula) en ese punto, o sea a la dirección del campo. La dirección de las líneas de fuerza se determina por la regla de mano derecha: si un conductor por el que circula una corriente se toma con la mano derecha de manera que el dedo pulgar señale la dirección de la corriente con los otros dedos, que rodean al cable, señalan la dirección de la corriente con los otros dedos, que rodean al cable, señalan la dirección del campo magnético generado. Si en un imán se efectúa un corte parcial, se forman dos polos opuestos y aparecerá en esa zona un campo de fuga, formado por las líneas de fuerza que salen de la barra y pasan a través del aire de un polo al otro. Como la interrupción del camino de las líneas de fuerza dentro del imán crea dos nuevos polos, deducimos que una discontinuidad (fisura, inclusión, variación de los parámetros magnéticos, etc.) dará lugar a la formación de dos nuevos polos, y por ende de un campo de fuga. Entonces, el método de partículas magnéticas consiste en la detección de campos de fuga, o sea flujos dispersos provocados por la formación de polos magnéticos a ambos lados de las discontinuidades que interrumpan el camino de las líneas de fuerza. En consecuencia, en la sección que corresponde a la discontinuidad, hay una gran densidad de flujo que deberá pasar por una sección reducida. Por lo tanto, la permeabilidad será menor que en el resto de la pieza, forzando a que parte del flujo escape fuera de la misma, dando lugar a un campo de fuga que nos permite determinar las discontinuidades, mediante un detector o medio magnético. Las partículas magnéticas son atraídas por los campos de fuga, dando lugar a la indicación (ubicación) de la discontinuidad (defecto detectable por partículas magnéticas).

Figura 3.7. Líneas magnéticas, y campo de fuga en pieza fisurada.

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Reluctancia magnética, es la resistencia que ofrece el material a ser magnetizado. Intensidad de campo o fuerza magnetizante, es la fuerza que actúa sobre un polo norte magnético unitario, colocado dentro de un campo magnético. Es la fuerza que tiende a establecer un flujo magnético en un circuito magnético. La intensidad de corriente que pasa por la bobina se suele expresar en amperios.vuelta. En bobinas de gran diámetro las piezas se suelen colocar apoyadas en la parte baja de la bobina, y se aplica la fórmula:

.= 45000

Dónde: N = número de espiras, I = intensidad leída, L = longitud, D = diámetro. Cuando L/D < 4, se adoptará la fórmula siguiente:

- Corriente aplicada a la magnetización

.= 35 +2000

Corriente aplicada. Es la corriente habitualmente suministrada por la red. Suele ser de una frecuencia de 50 a 60 hercios sinusoidal. Tiene escaso poder de penetración, por lo que frecuentemente se utiliza para defectos superficiales o de pequeña profundidad. Corriente continua. Es la corriente suministrada por baterías. Es una corriente rectilínea, de mayor poder de penetración, que puede emplearse para detectar gr ietas o defectos a mayor profundidad que con la corriente alterna; se utiliza para profundidades de 6 a 12 mm. Corriente rectificada . Se obtiene rectificando la corriente alterna. Se comporta como continua, aunque en realidad es débilmente sinusoidal no perdiendo las características de la corriente alterna. Se emplea generalmente para detección de grietas internas. Partículas magnéticas empleadas. Las partículas magnéticas pueden aplicarse en seco, o bien por vía húmeda mediante suspensión en líquidos disolventes, o en agua. Las partículas aplicadas en seco son ferromagnéticas de elevada densidad y finamente divididas. Las partículas de vía húmeda son de base de óxido de hierro de menor densidad que las ferromagnéticas, por lo que obtienen mayores movilidades.

91


Figura 3.8. Campo de fuga del ensayo por partículas magnéticas.

3.8.2. Clasificación de las partículas magnéticas Las partículas magnéticas que se utilizan para este ensayo se clasifican por su forma en:  Esféricas, presentan buen desplazamiento durante el ensayo, tienen buena atracción por el campo magnético y buen desplazamiento.  Alargadas, presentan mayor atracción por el campo magnético que las esféricas, pero su desplazamiento es con mayor dificultad que las esféricas. Se acostumbra usar, previo estudio, una mezcla de ambas partículas, en proporciones que nos permita obtener los mejores resultados. Por su tamaño, oscilan entre 1 y 100 micras. Las pequeñas son más fácilmente atraídas por los campos de fuga, pero el inconveniente es su desplazamiento. Lo contrario ocurre con l as de mayor tamaño, por lo que en la práctica se utilizan mezclas de las dos cuidadosamente estudiadas para tener una buena movilidad y sensibilidad. Actualmente, las partículas magnéticas se colorean de rojo y amarillo para tener una mejor diferenciación óptica entre la superficie inspeccionada y las partículas durante el ensayo o bien se las impregna con pigmentos fluorescentes para que la inspección se pueda realizar con luz ultravioleta. Entonces se cuenta con partículas de color gris, negras, coloreadas, fluorescentes, esféricas, alargadas que se pueden usar en seco, en suspensión ya sea en agua o en soluciones orgánicas recomendadas por los fabricantes. 3.8.3. Procedimiento del ensayo por partículas magnéticas Para realizar este ensayo se debe seguir en forma secuencial las siguientes operaciones: - Magnetización de la pieza.

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Se debe conseguir el direccionamiento del campo magnético en el sentido deseado mediante un imán permanente, un electroimán o el campo producido por una corriente eléctrica aplicada directamente. - Aplicación de las partículas magnéticas.

Existen dos métodos para la aplicación de las partículas magnéticas: continuo y residual. El primero tiene mayor sensibilidad, ya que se trabaja con corriente de saturación. El método remanente solo se puede aplicar si las piezas tienen alta retentividad magnética; así quedarán magnetizadas después de aplicar el campo magnético, aplicándose a continuación las partíc ulas magnéticas. Además, el proceso es susceptible de automatización, aunque es menos sensible. Las características magnéticas de las partículas, forma y tamaño, tienen influencia sobre la cantidad de partículas fijadas al defecto. Se puede aplicar por vía seca o bien por vía húmeda cuando las partículas están suspendidas en un medio líquido. - Observación, interpretación y registro de indicaciones.

Una vez que se han aplicado las partículas y se ha magnetizado la pieza a ensayar, se procederá a la inspección de ésta; para ello se dispondrá bien de luz natural o de luz ultravioleta, según el tipo de partícula utilizada. Para partículas negras o coloreada es necesaria una zona de inspección bien iluminada. Para partículas fluorescentes se necesita usar luz negra, empleando generalmente lámparas de vapor de mercurio. - Desmagnetización. La Desmagnetización de la pieza se debe realizar como último paso del procedimiento. Se puede realizar de dos formas: a) Desmagnetización por corriente alterna: es el método más rápido y fácil. Se consigue colocando la pieza en el interior de una bobina por la que circula corriente alterna y a la vez alejando la pieza lentamente hasta una distancia de 1,5 a 2 metros donde se puede considerar que el campo es nulo. b) Desmagnetización por corriente continua reversible: la pieza se somete a un campo continuo que se va reduciendo en amplitud; en cada escalón se invierte su sentido. Es el método más eficaz de desmagnetización para grandes piezas en que la corriente alterna no puede eliminar el campo interno.

Figura 3.9. Aplicación del ensayo por partículas magnéticas secas y resultados.

93


3.8.4. Uso del ensayo de partículas magnéticas El ensayo por partículas magnéticas se aplica para detectar defectos superficiales o subsuperficiales hasta un espesor aproximado de 15mm por debajo de la superficie. La principal aplicación del ensayo por partículas magnéticas en la industria es el control de calidad en la recepción de los elementos, durante el proceso industrial y en la inspección del producto final, en el mantenimiento industrial, inspección de grandes cantidades de piezas, etc. Además, de las limitaciones mencionadas anteriormente, el ensayo por partículas magnéticas es difícil de aplicar a elementos metálicos con forma cilíndrica, esférica, que tengan formas complicadas, etc. 3.8.5. Información obtenida con el ensayo de partículas magnéticas Este ensayo permite detectar imperfecciones y discontinuidades en materiales y partes de maquinarias para poder rectificar durante el proceso, poder prevenir futuras fallas del material cuando está en servicio. Se usa para detectar defectos subsuperficiales sin abertura al exterior, determinar la forma y tamaño de los mismos. Si las indicaciones de partículas presentan sus bordes con una definición muy nítida, indican grietas superficiales; si son indicaciones con indicaciones difusas en los bordes, las discontinuidades serán subsuperficiales. Las heterogeneidades de morfología esférica, tales como poros, macroinclusiones globulares, etc. Son muy poco detectables con partículas magnéticas y dan información muy poco definidas. Algunas discontinuidades subsuperficiales frecuentes son las cavidades o inclusiones no metálicas que no llegan a florar a la superficie, discontinuidades en soldadura y piezas moldeadas. Como discontinuidades superficiales frecuentes son las grietas de temple, localizadas frecuentemente en los cambios de sección; grietas de fatiga, grietas de rectificado, etc. Como falsas indicaciones se puede mencionar que el sobre magnetizado origina una acumulación de partículas magnéticas en los cambios de sección o en los extremos de piezas magnetizadas longitudinalmente. La solución es la disminución de la intensidad del campo magnético hasta la desaparición de estas indicaciones. El tamaño de grano basto, las indicaciones aparecen formando redes siguiendo los límites de grano.

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Figura 3.10. Identificación de defectos mediante ensayo de partículas magnéticas.

Fig. N° 3.11. Identificación de defectos con partículas magnéticas fluorescentes.

3.9. ELECTROMAGNETISMO (corrientes Eddy) Norma: ASTM E-2096-05 Las corrientes de Eddy, se empezó a utilizar en las pruebas no destructivas en 1879 con D.E. Hughe. En 1948, el Instituto Reutlingen de Alemania, empezó el desarrollo de la actual instrumentación de la corriente de Eddy. Están basadas en los principios de la inducción electromagnética y son utilizadas para ensayos no destructivos. El ensayo de electromagnetismo (corrientes de Eddy), utiliza corrientes eléctricas que se generan en un material conductor por un campo magnético alterno. Interrupciones en las líneas de corriente eléctrica (corrientes de Eddy) debidas a la existencia de imperfecciones producirán cambios en el campo magnético inducido. Este método no requiere contacto eléctrico directo con la parte que está siendo inspeccionada. 95


El patrón de corrientes inducidas y el campo magnético que necesariamente está asociado a ellas, están influenciados por diferentes características del material bajo estudio. Estas características se agrupan en tres: Detección de discontinuidades, medición de propiedades de los materiales y mediciones dimensionales. Electromagnetismo, es un método de ensayo no destructivo ya que su aplicación no altera de ninguna manera las propiedades del objeto en estudio. Es una prueba netamente superficial, detectando defectos subsuperficiales cercanos a la superficie. 3.9.1. Fundamento del método Esta técnica se basa en generar corriente eléctrica en un material conductor. La bobina A está conectada a una batería a través de un interruptor. Una segunda bobina B conectada a un galvanómetro (G), están colocadas cerca una de otra; cuando se cierra el interruptor produciendo una corriente eléctrica en la bobina A. En la bobina B, momentáneamente es inducida una corriente eléctrica.

Figura 3.12. Bobinas para generar corriente de Eddy; usadas en electromagnetismo.

El principio de la prueba se basa en el proceso de inducción electromagnética. El cual incluye una bobina de prueba a través de la cual se hace pasar una corriente alterna. El flujo de la corriente variante en una bobina de prueba produce un campo magnético variante alrededor de la bobina, el cual es conocido como campo primario. Cuando un objeto de prueba eléctricamente conductor es colocado en el campo primario, una corriente eléctrica será inducida en el objeto. Las corrientes de Eddy son corrientes eléctricas circulantes inducidas por un campo magnético alterno en un conductor aislado. También se le conocen como corrientes parásitas o corrientes de Foucault. En un material aislante no se induce las corrientes de Eddy sin embargo el campo magnético de la bobina atraviesa dicho material no conductor. El campo producido en la bobina es directamente proporcional a la magnitud de la corriente aplicada, a la frecuencia y a los parámetros de la bobina como:

96


-

Inductancia. Diámetro. Longitud. Espesor (ancho de la bobina). Numero de vueltas del alambre. Metal del corazón de la bobina

Principios para la generación de corrientes de Eddy:  Conductividad . La conductividad del material varía de acuerdo a su composición química.  Cambios de temperatura . Cuando aumenta la temperatura la conductividad disminuye.  Esfuerzos. En un material debido al trabajo en frío producen distorsión en la estructura. Este proceso mecánico cambia la estructura, la estructura de grano y la dureza del material; cambiando su conductividad eléctrica.  Dureza. La conductividad eléctrica disminuye cuando la dureza aumenta.  Permeabilidad . En cualquier material es la facilidad con la cual pueden establecer líneas de fuerza magnética. El aire tiene una permeabilidad de 1. La permeabilidad no es una constante para un material y depende del campo magnético que se genere 

B 

H

 = Permeabilidad

B = Flujo magnético (Gauss) H = Fuerza magnetizante (Oersted)  Efecto pelicular . Es el resultado de la interacción mutua entre las corrientes de Eddy, la 







frecuencia de operación, la conductividad del objeto de prueba y la permeabilidad. Efecto de borde . El campo electromagnético producido por una bobina de prueba excitada se extiende en todas las direcciones desde la bobina. A medida que la bobina se aproxima a los límites geométricos del objeto de prueba, estos son detectados por la bobina antes de que ésta llegue al límite. Efecto de extremos . Este tipo de efecto sigue la misma lógica que el efecto de borde, siendo la señal que se observa cuando la bobina se aproxima al extremo de un producto. Este término es aplicable a la inspección de barras o productos tubulares. Lift-Off . El campo electromagnético es más fuerte cerca de la bobina y se disipa conforme se aleja de la misma. El acoplamiento electromagnético entre la bobina y el objeto de prueba es muy importante, este acoplamiento varía cuando existe una distancia entre la bobina y el objeto de prueba, esta distancia es conocida como lift-off. Factor de llenado. Es el término utilizado para describir que también estará electromagnéticamente acoplado un objeto a la bobina que lo rodea, o a la que está insertado. El factor de llenado puede ser descrito como la relación cuadrática entre los diámetros del objeto y la bobina, que es una ecuación de la relación de áreas.

97


2

d 



D

2

 = Factor de llenado d = diámetro de la bobina D = diámetro de la pieza

 Discontinuidades. Puede ser detectada cualquier discontinuidad que tenga cambios apreciables

en el flujo normal de las corrientes de Eddy. Discontinuidades tales como fracturas, picaduras, entalladuras. Daño vibracional y corrosión. Las cuales causan que la conductividad efectiva de un objeto de prueba sea reducido. Las discontinuidades superficiales son más fácilmente detectadas que las subsuperficiales.  Relación señal-Ruido. Se considera como ruido cualquier variación que altere o interfiera la respuesta del sistema. Es la relación entre las señales de interés y las no deseadas. Las fuentes más comunes de ruido son las variaciones en la rugosidad de la superficie, la geometría y la homogeneidad. Otros ruidos pueden ser fuentes externas como, máquinas de soldar, motores eléctricos y generadores. 3.9.2. Procedimiento del ensayo por electromagnetismo Las etapas básicas de esta técnica de inspección son: -

Calibrar el equipo con un patrón certificado. Punto de correlación con el patrón de referencia. Punto determinado por el material de prueba desconocida. Medición o ensayo.

- Limpieza previa, es importante realizarlo para evita se origine falsa información por la presencia

de óxidos de hierro, capas de pintura muy gruesa o algún tipo de recubrimiento que sea conductor de la electricidad; en caso de que no se desee quitar las pinturas o recubrimientos, es recomendable que el patrón de calibración sea similar en el acabado superficial al de la parte sujeta a inspección. - Selección de la sonda de prueba , la sonda que se utilizará se selecciona de acuerdo a la variable

sujeta a evaluación. Por este motivo, es necesario conocer las ventajas, desventajas y limitaciones de cada configuración. La capacidad de detección de una sonda es proporcional a:  La magnitud de la corriente aplicada.  La velocidad (frecuencia) de oscilación de la corriente.  Las características de diseño de la sonda que incluyen: inductancia, diámetro de enrollamiento, longitud de la bobina y número de espira. Las sondas, según su arreglo se clasifican en dos grupos: a) Sondas absolutas, se consideran como aquellas que realizan la medición sin necesidad de una referencia directa o de un patrón de 98


comparación. Se aplican en la medición de la conductividad, permeabilidad, dimensiones o dureza de ciertos materiales. b) Sondas diferenciales , consisten en dos o más bobinas conectadas entre sí, pero con diferente dirección de enrollamiento. Este arreglo se puede dividir en dos grupos: bobinas diferenciales autorreferidas y bobinas diferenciales con referencia externa. - Frecuencia de prueba, esta normalmente es referida al valor de una penetración normal del

material; al tipo de discontinuidad que se espera localizar y ala profundidad a la que se encuentra. - Tipo de calibración que se desea efectuar y selección del patrón de calibración, los instrumentos

de la pantalla osciloscópica pueden calibrarse para detectar fracturas superficiales o cambios de conductividad eléctrica. - Interpretación de las indicaciones, se debe tener cuidado en la interpretación de los resultados,

bien sean por observación en pantalla o por lectura, ya que un cambio en las propiedades del material también afectan las lecturas y por este motivo la interpretación la debe realizar un inspector con amplia experiencia en este tipo de trabajos.

Figura 3.13. Esquema de los campos magnéticos en el método de electromagnetismo, equipo y tubos inspeccionados con electromagnetismo.

3.9.3. Uso del ensayo de electromagnetismo En la tabla, se muestran algunas de las aplicaciones del ensayo no destructivo de electromagnetismo. Este ensayo es usado ampliamente en el sector aeronáutico o materiales no ferromagnéticos como el aluminio.

99


Tabla 3.3. Aplicaciones del ensayo por electromagnetismo. Variable Aplicación a) Clasificación de aleaciones. b) Control de tratamientos térmicos (tamaño de grano, Conductividad eléctrica. dureza, esfuerzos residuales). c) Espesor de recubrimientos. d) Espesor de cadminizados, niquelado. a) Separación de aleaciones (materiales magnéticos). b) Profundidades de tratamientos superficiales. Permeabilidad magnética. c) Condición de tratamiento térmico (materiales magnéticos). d) Espesor de cadminizados, niquelado. Geometría (dimensiones). Espesores materiales delgados. Detección de fallas: a) Grietas. b) Segregaciones c) Costuras. Homogeneidad. d) Inclusiones. e) Picaduras. f) Corrosión. g) estructurales a) Espesor de aislamiento. Acoplamiento magnético b) Espesor de recubrimientos no metálicos. c) Diámetro.

3.9.4. Información obtenida con el ensayo de electromagnetismo La información que nos proporciona el ensayo de electromagnetismo es bastante variado; como se puede deducir de la tabla anterior. A continuación indicamos algunas de las aplicaciones.  Detecta

y generalmente evalúa discontinuidades subsuperficiales en casi cualquier conductor eléctrico.  Nos permite clasificar y diferenciar materiales de aleaciones, tratamientos térmicos o estructuras metalúrgicas distintas, siempre y cuando presenten una diferencia significativa de conductividad. 3.10. ULTRASONIDOS Es una técnica de ensayos no destructivos empleada en la observación de discontinuidades, poros y grietas. Está fundamentada en las atenuaciones del flujo de ondas acústicas ultrasónicas que sucede al interaccionar con los defectos del material inspeccionado. La inspección por ultrasonido es un método de inspección acústica, es decir que se usa las ondas hertzianas (ondas sonoras de frecuencias superiores a 20 kHz., límite superior de las frecuencias audibles por el iodo humano) como medio para detectar discontinuidades en un material, ya que dichas ondas “rebotan” o se reflejan en una irregularidad en el interior del material o el fondo del elemento inspeccionado. La aplicación de esta técnica requiere de una fuente de emisión, interacción de las ondas con la pieza, con los defectos y un registrador de indicaciones. En la figura 100


3.14, se ve el equipo de ultrasonido Olympus EPOCH 600 con el cual contamos en la Escuela de Ingeniería Metalúrgica.

Figura 3.14. Equipo de ultrasonido Olympus EPOCH 600. ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600).

El ensayo de ultrasonido, es un método de ensayo no destructivo apto para el control de prácticamente todos los materiales solidos metálicos o no metálicos. En la siguiente figura se muestran los elementos de la interfaz gráfica del equipo de ultrasonido Olympus EPOCH 600.

Figura 3.15. Elementos de la interfaz gráfica del equipo de ultrasonido Olympus EPOCH 600. ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600 ).

Algunas ventajas del método:  El poder de penetración de las ondas sónicas en los diferentes materiales. Permite la detección de defectos en el interior de materiales de diferentes espesores y formas. 101


 La alta sensibilidad del equipo permite detectar defectos muy pequeños.  Permite determinar la posición de los defectos internos, calcular su tamaño, y caracterizar su

orientación, forma y naturaleza.  Para realizar el ensayo, solamente se requiere una superficie limpia sin mayor preparación.  Los equipos modernos, por la automatización con la cual son fabricados proporcionan la información al instante del ensayo. Esto permite que se realice la supervisión y control del material en la línea de producción. Además, los resultados de la inspección se pueden anotar y registrar en el computador. Desventajas del método:  El ensayo se realiza manualmente, por lo que se requiere técnicos capacitados y con experiencia.  Para inspeccionar objetos de forma irregular, muy pequeños, delgados, heterogéneos son difíciles de inspeccionar y se requiere de técnicos acreditados y con experiencia.  Discontinuidades que se ubiquen cerca a la superficie pueden no ser detectadas.  Para realizar ensayos válidos. El equipo debe ser calibrado mediante los estándares de referencia. La mayoría de los instrumentos de inspección ultrasónica detectan fallas monitoreando uno o más de los siguientes puntos: • La reflexión del sonido de las interfaces consistentes en los límites del material o en discontinuidades dentro del material mismo. • El tiempo de tránsito de la onda de sonido durante la prueba dentro de la pieza desde el punto de entrada del transductor hasta el punto de salida. • La atenuación de las ondas de sonido en la pieza debido a la absorción y dispersión dentro de la pieza. 3.10.1. Fundamento del método Todo ensayo ultrasónico implica la introducción de energía vibratoria en el objeto a ensayar, y la observación de algún efecto sobre la misma provocado por las características del material a través del cual se propaga en forma de onda mecánica. Generalmente, la energía utilizada se genera en transductores de funcionamiento basado en el efecto piezo-eléctrico, estimulados en su vibración por circuitos electrónicos apropiados. El acoplamiento mecánico entre el transductor y la pieza ensayada debe realizarse mediante agua, aceite, grasa u otros medios similares, similares, para lograr una mejor adaptación de impedancias que la presentada por el aire y favorecer la propagación de la energía al interior del material. La frecuencia con que se trabaja en los ensayos de ultrasonido, está comprendida entre 100Kc/s y 100Mc/s. los valores más bajos son utilizados para la detección de fallas y los superiores para el estudio de estructuras y tamaño de grano; y dentro de estos rangos, la selección de frecuencia se efectúa según el tipo de material a ensayar.

102


Características generales de las ondas ultrasónicas Las ondas se transmiten en el interior de un cuerpo elástico, al ser excitado en un extremo por distintos tipos de vibraciones, y tienen las siguientes características: En general, las inspecciones ultrasónicas son realizadas con frecuencias entre 0,1 y 25 MHz. Las ondas de ultrasonido son vibraciones mecánicas, las amplitudes de las vibraciones producen esfuerzos en las piezas por debajo de su límite elástico, de esta manera los materiales no experimentan deformaciones plásticas. Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas (en contraste por ejemplo con los rayos X que son ondas electromagnéticas) que consisten en vibraciones oscilatorias de partículas atómicas o moleculares de una sustancia. Las ondas de ultrasonido se comportan igual que las ondas de sonido audible. Se pueden propagar a través de un medio elástico, ya sea sólido, líquido o gaseoso, pero no al vacío. En varios aspectos, un haz de ultrasonido es similar a un haz de luz, ambos son ondas y obedecen a la ecuación general de ondas. Cada onda viaja con características diferentes las cuales dependen del medio en el que se propaguen no de las características de la onda. Como un haz de luz, un haz de ultrasonido es reflejado de las superficies, el haz es refractado cuando cruza las fronteras entre dos substancias que tienen diferentes características de velocidades y difractados en los bordes o alrededor de los obstáculos. La oscilación de las ondas transversal y de superficie es sinusoidal. El movimiento requiere un cierto tiempo para ser transmitido. Las ondas se atenúan con la distancia recorrida. La atenuación de las ondas aumenta con la frecuencia. La propagación de una onda transporta energía y no masa. Las ondas no se transmiten en el vacío. Propagación de las ondas Las ondas ultrasónicas se propagan en cierta medida en cualquier material. Cuando las partículas atómicas o moleculares de un material son desplazadas de sus posiciones de equilibrio por cualquier fuerza aplicada, esfuerzos internos actúan para restaurar o reacomodar a sus posiciones originales. Debido a las fuerzas interatómicas que existen entre las partículas adyacentes del material, un desplazamiento en un punto induce un desplazamiento en los puntos vecinos y así sucesivamente, originando entonces una propagación de ondas de esfuerzo-deformación. El desplazamiento real del material que se produce en las ondas ultrasónicas es extremadamente pequeño. La amplitud, modo de vibración y velocidad de las ondas son diferentes en los sólidos, líquidos y gases debido a las grandes diferencias que existe entre las distancias de sus partículas internas. Estas diferencias, influyen en las fuerzas de atracción entre partículas y el comportamiento elástico de los materiales. 103


Veamos ahora que ocurre cuando las ondas ultrasónicas pasan de un medio a otro diferente. Se pueden diferenciar dos casos: que la incidencia sea perpendicular o que sea oblicua. En el caso de incidente perpendicular, ocurre que parte de la onda se refleja y vuelve al medio de procedencia, pero otra parte de la onda se transmite y se propaga a través del otro medio. De acuerdo con el principio de conservación de la energía, la suma de la intensidad de la onda transmitida (It) más la de la onda reflejada (I r) es igual a la intensidad de la onda incidente (Ii), o sea:

 = +  Cuando un frente de onda incide en forma oblicua sobre la superficie de separación entre dos medios con distinta velocidad de propagación del sonido en ellos, ocurren dos fenómenos:  Reflexión.

El frente de onda de refleja en la superficie, de manera que el ángulo de reflexión, que es el que forman las ondas reflejadas con la perpendicular a la superficie, es igual al ángulo de incidencia.  Refracción. El frente de onda atraviesa la superficie de separación y penetra en el segundo medio desviado de su dirección primitiva, de modo que el ángulo de refracción, que es el que forman las ondas transmitidas con la perpendicular a la superficie, no es igual al ángulo de incidencia. La relación de velocidad con la frecuencia y longitud de onda está dada por: V = f.λ Dónde: V: Es velocidad (en metros por segundo), f: Es la frecuencia (en Hertz) λ: Es la longitud de onda (en metros por ciclo). Velocidad . La velocidad de propagación es la distancia recorrida por la onda dividido por el tiempo empleado para recorrer esa distancia. La velocidad de lo s ultrasonidos en un material determinado depende de la densidad y elasticidad del medio que a su vez varían con la temperatura. La relación es directa, es decir, a mayor densidad del medio, mayor será la velocidad de transmisión de los ultrasonidos. Frecuencia. Es el número de oscilaciones (vibraciones o ciclos) de una partícula por unidad de tiempo (segundo). La frecuencia se mide en Hertz (Hz). Un Hertz es una oscilación (ciclo) por segundo. Como los ultrasonidos son ondas de alta frecuencia, se utiliza como medida básica el Mega Hertz (MHz) que es igual a un millón de Hz. Longitud de onda. Es la distancia que existe entre dos puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración.

104


Figura 3.16. Esquema de onda de ultrasonido (senoidal).

Amplitud . Es el máximo cambio producido en la presión de la onda, es decir la distancia máxima que alcanza la partícula vibratoria desde su posición inicial de reposo (altura de la curva senoidal). La amplitud se relaciona con la intensidad. De este modo si aumentamos la intensidad de una onda determinada aumentaremos su amplitud. Durante la transmisión de las ondas, por efecto de su interacción con el medio, disminuye la intensidad de la onda en función de la distancia recorrida y como consecuencia se produce una disminución de su amplitud. Período. Es el tiempo de una oscilación completa, es decir lo que tarda el sonido en recorrer una longitud de onda. Intensidad. Es la energía que pasa por segundo a través de una superficie de área unidad colocada perpendicularmente a la dirección de propagación del movimiento. La intensidad disminuye con la distancia.

Propiedades de las ondas ultrasónicas Las ondas ultrasónicas pueden desplazarse por el medio en forma de ondas longitudinales (las partículas vibran en la dirección de propagación de la onda), transversales (las partículas vibran perpendicularmente) o de superficie (los movimientos de las partículas forman elipses en un plano paralelo a la dirección de propagación y perpendicular a la superficie). Los ultrasonidos tienen una característica muy importante que la diferencia de los sonidos de menor frecuencia, la direccionalidad, es decir, la onda ultrasónica no se propaga en todas direcciones sino que forma un haz de pequeño tamaño que puede ser "enfocado". Además, de un modo análogo a lo que sucede con una onda luminosa, se pueden aplicar lentes acústicos que pueden modular el haz ultrasónico. Esto permite focalizar el haz sobre la zona a explorar, quedando fuera de foco las que están situadas por delante o detrás de ese punto, es decir, lo mismo que en las ondas luminosas, existe el concepto de "profundidad de foco", que se aplica a todas las estructuras que quedan enfocadas utilizando un haz de unas características determinadas. Ondas longitudinales ultrasónicas , algunas veces llamadas ondas de compresión (de alta energía), son el tipo de ondas ultrasónicas mayormente utilizadas en la inspección de materiales. Estas ondas viajan a través de los materiales como series alternadas de compresión y descompresión (de baja

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energía) en las cuales las partículas transmiten las vibraciones de regreso y la dirección de viaje de las ondas. Las ondas longitudinales ultrasónicas y su correspondiente oscilación de partícula y onda de descompresión y compresión resultante se muestran esquemáticamente en la siguiente figura.

Figura 3.17. Esquema de ondas ultrasónicas longitudinales, oscilación de partícula, compresión y onda de descompresión.

En la figura 3.17, se muestra la amplitud del desplazamiento de partícula versus viaje de onda en conjunto con la onda de descompresión a través de una cresta de compresión. La distancia de una cresta a la otra (que es igual a la distancia de un ciclo completo de descompresión y compresión) es la longitud de onda λ. El eje vertical en la figura anterior puede representar presión en lugar de desplazamiento de partícula. El eje horizontal puede representar tiempo en lugar de distancia de viaje debido a que la velocidad del sonido es constante en un material dado y porque esta relación es usada en mediciones en inspecciones por ultrasonido. Las ondas longitudinales ultrasónicas se propagan rápidamente en líquidos y gases así también como en sólidos elásticos. La velocidad de una onda longitudinal ultrasónica es de 6000 m/s en aceros, 1500 m/s en agua y 330 m/s en aire. Una onda es una transferencia de energía a través de un medio por oscilaciones sucesivas de las partículas que componen el medio. Esta transferencia de energía tiene dirección y velocidad. La velocidad puede determinarse por la fórmula:

= 

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Dónde: E: constante de elasticidad. ρ: densidad La velocidad con la cual se transfiere la energía en el material a ensayar, disminuye con la temperatura. Por lo que si se inspecciona un material en caliente; el bloque de calibración debe estar a la misma temperatura que el material de prueba. Una onda ultrasónica se sostiene y propaga a través de un material por partículas, que oscilan alrededor de su punto de equilibrio. En la figura 3.18, se representa mediante péndulos las partículas de un cuerpo solido antes de recibir la energía ultrasónica.

Figura 3.18. Esquema de las partículas de un cuerpo solido antes de a plicar la energía ultrasónica.

Como cada péndulo tiene que empujar un poco desde su posición neutral a fin de chocar el próximo, el próximo péndulo va a comenzar su oscilación una fracción más tarde que el péndulo anterior. Por consecuencia los péndulos no oscilan en el mismo ritmo, pero todos lo hacen con la misma frecuencia. Esto muestra como ondas longitudinales o de compresión pueden ser propagadas a través de sólidos, líquidos y gases. Ondas transversales ultrasónicas , Las ondas transversales son también utilizadas ampliamente en la inspección ultrasónica de los materiales. Podemos visualizar las ondas transversales en términos de vibraciones como una cuerda que se agita rítmicamente en la que cada partícula en lugar de vibración paralela a la dirección del oleaje como a la onda longitudinal, vibra hacia arriba y hacia abajo en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Una onda transversal se ilustra esquemáticamente en la siguiente figura, donde se muestra la oscilación de la partícula, el frente de onda, dirección del viaje de la onda y longitud de onda correspondiente a un ciclo. Las ondas transversales ultrasónicas se presentan solo en materiales sólidos.

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Figura 3.19. Esquema de las ondas transversales ultrasónicas.

La amplitud de la vibración transversal también es sinusoidal y por lo tanto la oscilación de las moléculas también lo es, de forma que si pudiésemos hacer una fotografía de una línea recta longitudinal dibujada sobre el cuerpo inspeccionado, la veríamos como una sinusoide. Ondas de superficie o de Raleigh , son ondas transversales que se producen solamente en la superficie del cuerpo elástico. Son paralelas a dicha superficie. Son otro tipo de ondas ultrasónicas utilizadas en la inspección de materiales.

Las ondas superficiales están sujetas a sufrir atenuación en un material dado como lo hacen las ondas longitudinales y transversales. Tienen una velocidad aproximada de 90% de la velocidad de las ondas transversales en el mismo material. La región dentro de la cual estas ondas se propagan con energía efectiva no es más gruesa que una onda propagada debajo de la superficie del metal. Un caso particular de estas ondas; son las ondas de Lamb, las cuales son ondas superficieales que se producen a una profundidad de una lingitud de onda. Generación de ondas Teniendo en cuenta los distintos tipos de ondas descritos anteriormente, a continuacion se indican las formas de generar cada una de ellas. Todas se consiguen mediante la producción de ondas longitudinales en los elementos piezoeléctricos del palpador. Estas ondas al ser transmitidas a traves de la superficie del material a investigar y de acuerdo con el valor del ángulo de incidencia, dan lugar a ondas de diversas clases. Las ondas longitudinales se generan mediante osciladores piezoeléctricos vibrando en la dirección perpendicular a la cara plana que forma la superficie del cristal. Se utilizan solamente en los palpadores de incidencia normal. Las ondas transversales se generan mediante la producción de ondas longitudianles aplicadas en la superficie del material a ensayar con un ángulo determinado. Como se vio anteriormente, si se

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supera el ángulo límite de incidencia, las ondas longitudinales transmitidas desaparecen y quedan solamente las ondas transversales. Las ondas superficiales y las ondas de Lamb se generan haciendo incidir una onda longitudinal sobre la muestra con un ángulo igual al ángulo límite, de forma que las ondas transversales producidas recorran solamente la superficie de la muestra. La mayoría de los equipos de inspección por ultrasonido incluyen el siguiente equipo básico: • Un generador electrónico de señal que produce ráfagas de voltaje alternadas. • Un transductor que e mite un haz de ondas ultrasónicas cuando las ráfagas de voltaje alternado son aplicadas. • Un acoplador para transferir la energía de las ondas de ultrasonido a la pieza que se está inspeccionando. • Un acoplador que transfiere la salida de las ondas de so nido (energía acústica) de la pieza al transductor. • Un transductor (puede ser el mismo que el transductor que inicia las ondas ultrasónicas o puede ser otro diferente) para aceptar y convertir las ondas de ultrasonido de salida de la pieza de trabajo en ráfagas de voltaje. En la mayoría de los sistemas un transductor simple actúa como emisor y receptor. • Un dispositivo electrónico para amplificar y modificar las señales del transductor. • Un dispositivo de salida que muestre la información resultante y l a proyecte ya sea impresa o en pantalla. • Un reloj electrónico o un cronómetro para controlar la operación de varios componentes del sistema.

3.10.2. Procedimiento del ensayo por ultrasonido Antes de realizar un ensayo por ultrasonido se debe preparar la superficie a ser inspeccionada: - Debe estar limpia y seca, no debe tener irregularidades, materiales extraños que pudieran impedir el desplazamiento libre y continuo del transductor. - La limpieza de la superficie a inspeccionar se puede realizar con chorro de arena a presión y/o cepillo de alambre. - En caso de localizarse un defecto relevante, se procede a realizar una inspección detallada para determinar el tipo, la posición, el tamaño, la orientación respecto a la pieza del defecto. Debe marcarse la extensión del defecto, el número de identificación del defecto, el nombre del inspector o de la compañía, la fecha de la inspección, etc. Usando pintura indeleble. - Si se detecta una reducción del espesor del material mayor al 18%, deberá realizarse una inspección continua. Usando un equipo detector de fallas, con haz recto o doble cristal, alrededor del punto, abarcando un radio mínimo de 50 mm. También debemos definir los siguientes parámetros, para hacer una correcta selección del equipo de trabajo:  El tipo de discontinuidad que se espera encontrar. 109


 La tolerancia que se puede aplicar para aceptar o rechazar la discontinuidad detectada.  Norma del ensayo por realizar.  El

instrumento de inspección debe estar revisado y si es necesario recalibrado por un taller de servicio autorizado por el fabricante.

A continuación se debe seleccionar el palpador y el cable coaxial a ser empleado: los cables son del tipo coaxial para prevenir problemas de interferencia eléctrica y sus conexiones deben ser compatibles con las del instrumento y el transductor a emplear. En los ensayos por ultrasonido se utiliza por lo general ondas longitudinales u ondas transversales (haz angular). Las frecuencias más comunes son de 1 a 5 MHz con haces de sonido o ángulos de 0°; 45°; 60° y 70°. Las ondas de ultrasonido son vibraciones mecánicas, las amplitudes de las vibraciones producen tensiones (esfuerzos) en las piezas por debajo de su límite elástico, de esta manera los materiales no sufrirán deformaciones plásticas. La calibración del equipo de ultrasonido, para obtener valores precisos en las medidas que se realizan durante el ensayo se efectúa utilizando un bloque patrón de dos espesores y de un material conocido. La calibración se realiza siguiendo la siguiente secuencia: 1. Coloque el palpador en la parte delgada del patrón. 2. Coloque la puerta 1 en el eco resultante que aparece en la pantalla. 3. Utilizar la función AUTO XX% para que el eco alcance el 80% de la altura de la pantalla. 4. Seleccione el menú Auto Cal, ver figura N° 3.20.

Figura 3.20. Menú auto cal. ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600 de la ESME ).

5. Usar el parámetro del modo para seleccionar el tipo de calibración apropiada; los más comunes son del espesor (thickness) para palpadores rectos o de la trayectoria acústica (soundpath) para palpadores angulares. 6. Pulse la tecla de calibración del cero (cal-zero). Ver figura siguiente.

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Figura 3.21. Calibración del cero (Cal-Zero). ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600 ).

7. Utilice la perilla de ajuste o las teclas de dirección para ajustar el valor según el espesor apropiado. En la figura 3.21, el palpador está colocado en el espesor de 5mm. 8. Pulse Continue para aceptar el valor ajustado y, luego, pase a la segunda etapa de calibración. 9. Coloque el palpador en la parte gruesa del bloque patrón. 10. Utilice la función AUTO XX% para que el eco alcance el 80% de la altura de la pantalla. Ver siguiente figura.

Figura 3.22. Inicio de la puerta 1. ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600 ).

11. Pulse la tecla SALIR para regresar al menú Auto cal. 12. Pulse la tecla Cal-Vel. 13. Utilice la perilla de ajuste o las teclas de dirección para ajustar el valor según el espesor apropiado. En este caso el palpador está en 12,5 mm. Ver la figura 3.22.

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Figura 3.23. Calibración de la velocidad (Cal-Vel). (Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600).

14. Pulse Done para aceptar el valor ajustado y completar el proceso de calibración. 15. Pulse la tecla RANGE y ajuste el rango de la pantalla. Ver figura 3.23.

Figura 3.24. Valor del rango. (Cal-Vel). ( Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600)

Para inspecciones angulares, la calibración se realiza en 4 etapas: 1. Verifique el punto de incidencia. 2. Verifique el ángulo de refracción de la zapata. 3. Siga las etapas de calibración anteriormente descritas (calibración de trayectoria acústica Soundpath) o de la profundidad (Depth) según el tipo de reflector. 4. Ajuste la sensibilidad: capture el eco del orificio de la muesca en la parte; utilice la función AUTO XX% para que el eco alcance 80% de la altura de la pantalla y pulse las teclas (2ND F), (REF dB) para ajustar la ganancia de referencia. Ver figura 3.25.

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Figura 3.25. Ajuste de la ganancia de referencia. (Cal-Vel). (Manual del usuario equipo ultrasonido Olympus EPOCH 600)

Procedimiento del ensayo de ultrasonido Una vez calibrado el equipo de ultrasonido procedemos a realizar el ensayo, para ello se tiene los siguientes procedimientos: - Método de resonancia. - Método de transparencia o de sombra. - Método de impulso-eco. Método de resonancia . Se utiliza para la medición muy precisa de espesores de recubrimientos superficiales y requiere un equipo determinado con excitación continua.

Cuando se propaga una onda en un medio metálico y llega a una cara plana exterior después de haber recorrido una semilongitud de onda o un número entero de semilongitudes de onda, la o nda reflejada se refuerza por superponerse en fase, produciéndose la resonancia. El ensayo consiste en variar la frecuencia de excitación de un cristal aplicado a una cara plana de una lámina (chapa) hasta que se detecte la resonancia. Podremos asegurar entonces que el espesor de la lámina que queremos medir es un múltiplo de la semilongitud de onda aplicada, la cual es función de la frecuencia de orden “n” que ha producido la resonancia. Como en el momento de presentarse la resonancia no sabemos el número entero de semilongitudes de onda que la han producido, aumentaremos la frecuencia hasta que se vuelva a producir la resonancia nuevamente. La diferencia de frecuencias que hemos tenido que aumentar nos señala la frecuencia fundamental de resonancia y como la semilongitud de onda es igual a la mitad del cociente entre la velocidad del sonido en el material y la frecuencia fundamental, podemos calcular dicha semilongitud de onda que es la medida del espesor de la lámina.

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Figura 3.26. Método de resonancia

Método de transparencia . En este método el oscilador emisor genera un haz de ondas ultrasónicas que es recibido por otro oscilador receptor.

Cuando el haz de ondas ultrasónicas es interceptado por un obstáculo, disminuye la intensidad acústica del haz ultrasónico captada por el receptor y de la evaluación de dicha reducción de señal se puede deducir la magnitud del obstáculo interceptado. El sistema debe calibrarse en una zona exenta de defectos y los palpadores, con excitación continua, pueden ser de incidencia normal, situados uno a cada lado de la pieza o de incidencia angular cuando las condiciones de accesibilidad de la pieza hacen necesario el ensayo por reflexión.

Figura 3.27. Método de transparencia de incidencia normal e incidencia angular.

Método de impulso- eco. Cuando un haz de ultrasonido se transmite por el interior de un objeto sólido encuentra una superficie exterior de fondo, se refleja casi en su totalidad. Igualmente se reflejará cuando encuentra un obstáculo reflector. En ambos casos, el eco producido por el haz ultrasónico reflejado será captado por el oscilador receptor.

La interferencia de las ondas emitidas con las reflejadas impide la utilización de ondas continuas, por lo que se utiliza la excitación por impulsos. De esta forma resulta posible el uso de palpadores que sean a la vez emisores y receptores de la señal ultrasónica con lo cual se facilita sobremanera la operación, aunque lógicamente estará sometida a unas reglas operativas determinadas. Midiendo solamente el tiempo de recorrido del haz y de su eco, podemos determinar la distancia a la que se encuentra un determinado reflector. De esta forma se pueden determinar espesores de tuberías y recipientes con equipos que permiten determinar espesores entre 2 y 300 mm. 114


Por otra parte, se puede medir la intensidad acústica del eco producido por un defecto o por el fondo de la pieza, ya que la señal eléctrica generada podrá representarse en una pantalla; en donde la altura de la señal será proporcional a la presión acústica del eco. El método de impulso-eco con medida de intensidad y de tiempo es el más extendido en el campo de la detección de defectos, tanto en piezas como en piezas soldadas. 3.10.3. Uso del ensayo por ultrasonido Su principal aplicación es la detección de discontinuidades y defectos internos, aunque también es utilizado para detectar defectos superficiales, subsuperficiales, para definir características de la superficie tales como: medida de corrosión y espesor. Y con frecuencias menores se utiliza para determinar el tamaño de grano, estructura, y constantes elásticas. La información del método de impulso-eco puede ser desplegada en diferentes formas. Las formas básicas son: Escaneos A: Este formato proporciona información cuantitativa de señales y tiempo obtenido en un punto simple, en la superficie de la pieza. El desplegado del escaneo tipo A, que es el formato más utilizado, puede ser empleado para analizar el tipo, localización y tamaño de una falla. Escaneos B: Este formato suministra información cuantitativa de "tiempo de vuelo" obtenido a través de una línea de la pieza. El escaneo tipo B muestra la profundidad relativa de los reflectores y es usado principalmente para determinar el tamaño. Escaneos C: Este formato provee un desplegado semi-cuantitativo o cuantitativo de señales de amplitudes obtenidos sobre un área de la pieza a evaluar. Esta información puede ser utilizada para ubicar las fallas en una vista de la pieza de trabajo. Los escaneos tipo A y B son generalmente presentados en la pantalla de un osciloscopio, los escaneos tipo C son almacenados por una máquina de coordenadas o desplegados en un monitor de computadora. Desplegado del escaneo tipo A. Es básicamente una gráfica de amplitud versus tiempo, en la cual una línea horizontal sobre un osciloscopio indica el tiempo transcurrido mientras que el eje vertical indica las deflexiones (llamadas indicaciones o señales) que representan los ecos. 3.10.4. Información obtenida con el ensayo de ultrasonido La primera señal detectada en la pantalla es la que se genera en el momento en que el impulso eléctrico llega al cristal emisor. Se le denomina eco de emisión y tiene la forma de un pico muy pronunciado el cual nos servirá de referencia para señalar el comienzo de la base de tiempo. Si el material no tiene ningún reflector interno (alguna heterogeneidad) la onda ultrasónica llegará hasta el fondo de la pieza investigada y allí sufrirá una reflexión. Si el eco de la misma es captado por el palpador receptor aparecerá otro eco más a la derecha del eco de emisión y de apariencia similar al primero. 115


El sistema de sincronismo regula la línea de base de tiempos de tal forma que la distancia entre el eco de emisión y el primer eco de fondo sea equivalente al tiempo que tarda el haz ultrasónico entre la salida del emisor y su vuelta al receptor. De esta forma, si se detecta un reflector intermedio, será localizado por su eco correctamente situado sobre la base de tiempos y dicha línea horizontal podrá ser utilizada como un eje de distancias. El eco reflejado en la pared del fondo vuelve hasta la pared inicial y se refleja de nuevo en ella. El haz doblemente reflejado comienza un nuevo recorrido similar al anterior que producirá un nuevo eco de fondo sobre la línea de tiempos, a doble distancia que el primero, del eco de emisión. Los sucesivos ecos de fondo seguirán produciéndose indefinidamente hasta que el haz se atenúe en su totalidad, aunque en la pantalla solo aparecerán los que quepan en ella, según la escala adoptada para la base de tiempos. Las indicaciones de los ecos aparecerán, por tanto, a distancias de la base de tiempos proporcionales a su distancia al oscilador, siendo su altura proporcional a la presión acústica reflejada en el obstáculo. Las aplicaciones son muy amplias y abarcan la industria metalúrgica, construcciones navales, aeronáuticas, y otras industrias en general; algunos ejemplos de aplicación son: - El módulo de elasticidad (Young), módulo de cizallamiento, son calculados en función de la

-

-

-

longitudinal y la velocidad de onda. Con el uso de técnicas especiales del método de ultrasonido las propiedades referidas de los materiales se pueden medir también a altas temperaturas. Nodularidad de la fundición, se cuantifica la concentración de grafito en hierro colado y su forma mediante la medición de la velocidad de la onda acústica. Tasa de curado epoxi-concreto armado, la razón de curado con epóxico y el hormigón se determina por cambio de velocidad de sonido cuando estos materiales se endurecen. Concentración de líquidos, la proporción de una mezcla de dos líquidos a una temperatura dada puede estar correlacionada con la velocidad del sonido por ser disímiles según solución. Proporción de mezclas, la proporción y la densidad de una mezcla líquido-sólido a una determinada temperatura se pueden correlacionar con la veloc idad del sonido y/o atenuación. Densidad de cerámicos, la densidad de la cerámica puede ser verificada midiendo la velocidad del sonido. Productos alimenticios, la aplicación del ultrasonido por su condición de ser poco contaminante, se utiliza por ejemplo en la determinación de las edades de huevos y papas, madurez de frutas, contenido de grasa en carne roja, porcentaje de sólidos en la leche entre otros. Polimerización en plásticos, en plásticos y otros polímeros, las variaciones en la estructura molecular como la longitud o la orientación de cadenas del polímero, a menudo están acompañadas de los cambios en la velocidad del sonido y/ o atenuación. Dimensión y distribución de las partículas y porosidades, los cambios en el tamaño o la distribución de partículas o la porosidad en un medio sólido o líquido influyen en la amplitud y la frecuencia de ultrasonido.

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- Anisotropía en sólidos, las variaciones de velocidad en el interior de las piezas, la dispersión, y/o

la atenuación de ondas a través de diferentes ejes de un sólido pueden usarse para identificar y cuantificar la anisotropía de un material. - Profundidad de cementación en acero, las técnicas del ultrasonido especialmente de onda transversal y de alta frecuencia pueden usarse para medir la profundidad de cementación. Medida de temperatura La termometría ultrasónica se usa para medir temperaturas muy altas (por ejemplo a 3 000 grados Celsius) monitoreando cambios en la velocidad del sonido. Términos utilizados en el ensayo de ultrasonido: - Medio acoplante, líquido, aceite, agua, etc., que evita la existencia de aire entre la pieza a examinar y el palpador. Produce una pérdida de presión de la onda. - Onda longitudinal, aquella en la que las oscilaciones de las partículas ocurren en la dirección longitudinal, es decir, según la dirección de propagación. - Onda transversal, aquella en la que las oscilaciones de las partículas ocurren en la dirección transversal, es decir, formando ángulo recto con la dirección de propagación. - Onda de superficie, también llamada de Rayleigh, se propaga solamente en la periferia plana o curvada de un sólido. - Palpador, detector de defectos mediante ultrasonidos; en la mayoría de los casos, consta de un oscilador emisor-receptor de la onda ultrasónica. - Pieza patrón, calibre que sirve para la verificación del ángulo de incidencia del oscilador y para la fijación de la escala de abscisas de la pantalla registradora. - Salto, una reflexión entera de la onda. - Reflector, heterogeneidad en el interior de la pieza o en su superficie. Al incidir sobre ella la onda acústica produce un eco o una sombra. - Rugosidad superficial de la pieza, influye en la pérdida de presión acústica, siendo R a el valor de rugosidad que produce la anulación de la transmisión. Su valor es:

í.  í.

í.. í.  = 2

Dónde Es la longitud de onda en el medio acoplante; c, la velocidad de propagación de la onda en el material, y La velocidad de propagación de la onda en el medio acoplante. - Velocidad de propagación de la onda en el medio considerado, se define por:

.  1 =  .1+.  12  

Donde c (m/s) es la velocidad en el medio; (N/m2), el módulo de elasticidad del material; ρ (kg/m3) la densidad del material, y , el coeficiente de Poisson. - Transductor angular, al incidir un haz ultrasónico con un determinado ángulo de incidencia en la interfase de dos medios materiales, parte del sonido será reflejado y otra será transmitida según la ley de Snell.

 =  = 

117


Figura 3.28. Haz ultrasónico con un determinado ángulo de incidencia en la interfase de dos medios

materiales, parte del sonido será reflejado y otra será transmitida.

  

    



Siendo el ángulo de incidencia; la velocidad de la onda sónica en el medio de incidencia; , el ángulo reflejado; , la velocidad de la onda sónica en el medio donde se refleja; , el ángulo transmitido, y , la velocidad de la onda sónica en el medio donde se transmite.



3.11. RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL Norma: ASTM E07.01, EN1435, API 1104 E2698, práctica para examen radiológico con conjuntos de detectores digitales. E2736, guía para radiología con conjuntos de detectores digitales. E2737, práctica para la evaluación del desempeño de conjuntos de detectores digitales y estabilidad a largo plazo. La radiografía industrial es una técnica de ensayos no destructivos de tipo físico, se basa en la absorción diferenciada de radiación penetrante por la pieza que está siendo inspeccionada sin recurrir a su destrucción. La inspección por radiografía industrial se refiere a los métodos de inspección mediante la revisión de las imágenes obtenidas por influencia de los rayos X o gamma ( γ) (radiación electromagnética); ya sea en el computador (imagen digital) o sobre películas sensibles que una vez reveladas son muy similares a un negativo fotográfico. Todo ello dentro de los parámetros de aceptabilidad de la norma, y/o especificaciones aplicadas. La radiografía industrial, se fundamenta en los rayos X, y los rayos gamma; que son radiaciones electromagnéticas de muy corta longitud de onda capaces de penetrar en cualquier material. Si al atravesar el material la radiación incide sobre una placa radiográfica constituida por una emulsión de haluro de plata ésta es ionizada separando el ion plata Ag +, que ennegrecerá al ser revelada, dando lugar a una radiografía. Cuanto más tiempo esté expuesta la radiografía a radiación, más plata ennegrecerá.

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Figura 3.28. Espectro electromagnético.

Todo proceso de radiografía industrial debe cumplir con las especificaciones técnicas de protección adecuadas (barreras físicas, enclavamientos, detectores de radiación, etc.) para la realización de los trabajos radiográficos. Clasificación de los equipos radioactivos : 1. Por el uso se clasifican en:  Equipos en instalaciones fijas.  Equipos en instalaciones móviles.

2. Por el tipo de radiación emitida:  Equipos generadores de rayos X convencionales:  Direccionales.  Panorámicos, el haz de radiación se genera en círculo mediante el uso de un anticátodo de forma cónica. Se usan para la realización de radiografías panorámicas En los panorámicos, el haz de radiación se genera en círculo mediante el uso de un anticátodo de forma cónica. Se usan para la realización de radiografías panorámicas (soldaduras circunferenciales en tuberías, virolas de recipientes a presión,…)  Equipos generadores de rayos gamma (gammagrafía).

• Equipos de Iridio 192 (Ir -192). • Equipos de Cobalto 60 (Co-60). • Equipos de Selenio 75 (Se -75). • Otros radioisótopos.

Diferencias comparativas entre equipos de rayos X y gammagrafía:  Diferencias técnicas: - Los equipos de rayos gamma, no necesitan de suministro eléctrico. - Los gammágrafos son equipos más ligeros. 119


- Con los gammágrafos, se puede acceder a lugares que no son alcanzables con el tubo de

rayos X. - Los rayos gamma, al tener mayor poder de penetración permiten radiografiar espesores mayores que los equipos de rayos X. - Los equipos de rayos X permiten obtener imágenes de mejor calidad.  Diferencias económicas:

- Los equipos de rayos gamma son más económicos que los de rayos X. - Los gammágrafos, son equipos más robustos y protegen mejor la fuente radioactiva a las

averías por lo que las reparaciones son menos costosas. - Los gastos de consumibles de los equipos de rayos gamma es mayos que el requerido por los equipos de rayos X.  Diferencias funcionales:

- Los gammágrafos, por tener bien protegida la fuente radiactiva soportan mejor el trabajo en

obra. - Las puestas en marcha de los gammágrafos es más sencilla que los equipos de rayos X. además, el manejo es más sencillo. - En los equipos de rayos X, se puede regular la capacidad de penetración e intensidad del haz de radiación emitido (tensión y mili amperaje). En los equipos de rayos gamma, no es posible.  Diferencias de seguridad:

- Los equipos de rayos X superan a los de gammagrafía ya que solo emiten radiación cuando

están en funcionamiento. - Con los equipos de rayos X no existe ni siquiera el riesgo remoto de fugas, estando apagados, lo cual no ocurre con los gammágrafos. - Una incidencia del equipo de gammagrafía que implique, aunque solo sea por un corto periodo, la pérdida de control del material radiactivo, requiere para su subsananción, estar entrenado adecuadamente y la disponibilidad de medios de protección radiológica especializada. 3.11.1. Fundamento del método Los rayos y los rayos gamma utilizados en radiografía industrial; son ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que las ondas de radio, televisión, la radiación luminosa, etc., pero de mayor frecuencia y por lo tanto de energía mucho más alta. Los rayos X y gamma, siendo de igual naturaleza se diferencian por su origen. Los rayos X, se originan por excitación de la envoltura electrónica del átomo mediante bombardeo con electrones acelerados, o por desaceleración de dichos electrones en el campo de atracción nuclear. Los rayos gamma, tienen su origen en el núcleo atómico de los radioisótopos produciéndose en forma espontánea según las leyes del decaimiento radiactivo. Generalmente los rayos gamma cubren rangos de energía más elevados que los rayos X.

120


Entre las propiedades a tener a cuenta debemos recordar que las radiaciones X o gamma: - Se propagan en línea recta, no son desviadas por campos eléctricos ni por campos magnéticos. - Ionizan los gases. - Su energía es inversa a la longitud de onda. - Excitan radiación fluorescente en algunos compuestos químicos. - Sensibilizan las emulsiones fotográficas. - Ionizan gases. - No tienen carga eléctrica ni masa. - Dañan los tejidos vivos y no son detectadas por nuestros sentidos. - Atraviesan todos los materiales incluso los opacos a la radiación luminosa, sufriendo una absorción o pérdida de energía en relación con los espesores o densidad de los materiales atravesados. - La pérdida de energía al atravesar un material se produce según una ley exponencial de absorción cuya expresión general es la siguiente:

= .−.

Dónde:

I : Intensidad de radiación emergente luego de atravesar un espesor X. I 0: Intensidad de radiación incidente. µ : Coeficiente de absorción. Debe observarse que este coeficiente, además de depender

de la naturaleza del material varía con la energía de la radiación incidente. x : Espesor atravesado.

- El fenómeno de absorción de la radiación electromagnética (incluido los rayos X y gamma) por

los materiales se produce mediante tres procesos diferentes: efecto fotoeléctrico, efecto Compton y producción de pares de electrones. fotoeléctrico, consiste en la emisión de electrones por un material cuando se hace impactar sobre él un cuanto de radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general) y sede toda su energía para liberar un electrón orbital originándose radiación corpuscular dispersa.

 Efecto

Figura 3.29. Efecto fotoeléctrico.

121


Este efecto ocurre cuando la energía del cuanto es superior a la energía mínima necesaria para la liberación del electrón. Para energías del cuanto superiores a dicho mínimo, la probabilidad de ocurrencia de este efecto es mayor cuando más próxima sea la energía del cuanto a la energía mínima. La radiación electromagnética se determina por la ecuación: energía, es la frecuencia y la constante de Planck.

, donde: representa la

de Compton , ocurre cuando el cuanto de radiación electromagnética choca con un electrón de las capas externas de la nube electrónica de la materia impactada. Parte de la energía es cedida al electrón en forma de energía cinética y el resto sigue como un cuanto de energía electromagnética de menor energía. Se origina así radiación corpuscular y electromagnética dispersa cuya dirección es distinta a la del cuanto incidente. La energía del cuanto de radiación dispersa es tanto menor cuanto mayor sea su divergencia con respecto a la dirección del cuanto incidente. La probabilidad de ocurrencia de este efecto es función de la energía del cuanto.

 Efecto

Figura 3.30. Efecto de Compton

de pares de electrones , ocurre cuando un cuanto de radiación electromagnética crea dos o más electrones de cargas eléctricas opuestas.

 Producción

Una interacción de rayos gamma en la que el rayo gamma, cuanto o fotón, se convierte en un electrón y en un positrón cuando el rayo gamma ingresa en el campo eléctrico cercano al núcleo de un átomo (1,022MeV) para que la interacción sea posible. Luego de la producción de pares, el positrón se aniquilará con un electrón, emitiendo dos rayos gamma de 0,511MeV. La mayor probabilidad de ocurrencia tiene lugar con una energía de rayos gamma superior a 10MeV, y en un material con alto número atómico.

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Figura 3.30. Producción de pares de electrones.

- Dentro del rango de energías aplicadas en radiografías, las sustancias de bajo peso atómico

(agua, sustancias orgánicas, plásticos, madera, etc.) atenúan la radiación principalmente por efecto Compton produciendo elevada proporción de radiación electromagnética dispersa (radiación secundaria) mientras que las sustancias de elevado peso atómico (metales) la atenuación se produce principalmente por el efecto fotoeléctrico, es decir, con poca producción de radiación electromagnética dispersa. 3.11.2. Clasificación de la radiografía industrial Los equipos de radiografía industrial se clasifican por el tipo de radiación en: - Equipos generadores de rayos X. El tubo de rayos X es una cápsula de vidrio o cerámica, cerrada y puesta a vacío. Consta de dos partes, el filamento o cátodo, que hace de fuente de electrones y el blanco o ánodo, donde los electrones chocan. Para que se produzca la emisión de electrones desde el cátodo, se debe generar una diferencia de potencial en el filamento (transformador de baja tensión). Para acelerar los electrones (liberados en el cátodo) hacia el ánodo de cobre en cuya superficie se encuentra una lámina de tungsteno. Se aplica el diferencial de potencial de tubo (transformador de alta tensión, kilovoltios entre cátodo y ánodo). Los electrones acelerados impactarán en el ánodo y transmitirán a los electrones de los átomos del ánodo la energía cinética que han adquirido al ser acelerados por la diferencia de potencial de tubo. La emisión de rayos X en el ánodo se produce según dos fenómenos: 1) Emisión de un espectro continuo de rayos X por choque de los electrones en el blanco. 2) Emisión de un espectro de rayas características producido por recaptura de electrones orbitales desplazados previamente por choque de los electrones incidentes.

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Figura 3.31. Válvula electrónica para generar rayos X, tubo de rayos X

- Equipos generadores de rayos gamma.

En principio todo radioisótopo que emita radiación gamma puede ser usado para ensayos no destructivos de materiales. Una fuente de radiación consiste en algunos gramos o miligramos de material radioactivo conteniendo el radioisótopo dentro de una capsula de protección de manera que sea seguro su uso industrial. El material radioactivo en forma de pastilla se encuentra dentro de una cápsula de acero cerrada por soldadura. Esta cápsula retiene y proteje el material, lleva la identificación correspondiente y posee una prolongación que permite su fijación al dispositivo de manejo. La pastilla de material radioactivo generalmente es un cilindro sólido de metal puro (60Co y 192Ir) o cerámico (134Cs, 137Cs y 170Tm). Dado que la emisión de radiación por un radioisótopo no puede ser detenida ni modificada, la fuente radioactiva debe ser guarda dentro de un blindaje que absorba la radiación y que esté provisto de dispositivos que permitan realizar la exposición cuando sea requerido. Estos blindajes se denominan equipos de gammagrafía. Por lo general, los blindajes son de plomo, tungsteno, uranio solo o en combinación con plomo.

Figura 3.32. Equipo de gammagrafía.

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El equipo debe ser resistente, a prueba de agua, difícil de volcarse, debe tener manijas para poder levantarlo y estar provisto de cerradura para asegurar la fuente de radiación en su lugar. De acuerdo a los organismos internacionales de seguridad; el nivel de radiación a 5cm de la superficie del equipo no debe ser mayor a 20 mR/h. La elección del equipo a ser utilizado en radiografía industrial se realiza teniendo en cuenta las siguientes características:  Actividad radiactiva; número de desintegraciones por segundo.  Periodo de semidesintegración; tiempo en cual se desintegra la mitad de los núcleos de una sustancia radiactiva.  Calidad de radiación; determina la penetración.  Espectro energético; es el número de líneas espectrales, contraste.  La radiación, son ondas electromagnética que no tienen carga eléctrica ni masa.  La energía radioactiva viaja en línea recta, son invisibles y destruyen las células vivas.  Penetran y ionizan la materia.  El material radiado mantiene cierta fluorescencia de tipo no permanente. 3.11.3. Procedimiento del ensayo por radiografía industrial

Para proceder a realizar un ensayo de radiografía industrial. Debemos ubicar los elementos (fuente de energía radiante, objeto y película radiográfica) en la forma como se indica en la figura 3.33.

Figura 3.33. Ubicación de los elementos que intervienen en la radi ografía industrial.

La película (placa) radiográfica se compone de 07 capas: 1. Un soporte transparente de triacetato de celulosa o poliéster. 2. En ambos lados, el soporte se cubre con: a) Una capa exterior de gelatina endurecida que protege la emulsión. b) Una capa de emulsión compuesta principalmente de cristales muy pequeños de halogenuro de plata dispersos en gelatina. c) Una capa muy delgada llamada substrato que asegura la adherencia de la emulsión al soporte.

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Cuando la película es expuesta a radiación X, gamma, ultravioleta o luz visible se produce una excitación fisicoquímica de los cristales de halogenuro de plata. Estos cristales pueden ser reducidos a partículas negras de plata metálica mediante un proceso químico controlado que se conoce como “revelado de la película” (5 minutos a 293 K); terminado este proceso se deben eliminar los cristales de halogenuro de plata no reducidos mediante el “fijado” y lavado de la película que eli minan además todos los agentes químicos incorporados durante el “procesado de la película”. Luego , se seca la película y la observación se hace por transparencia. El haz de radiación proveniente de una fuente lo más puntual posible se hace incidir normalmente sobre la superficie del objeto en examen. La radiación que incide en la muestra es parcialmente absorbida, en función del espesor y densidad del material atravesado, emergiendo diferenciada en su intensidad y constituye la “imagen radiante” del objeto ensayado. Esta imagen radiante, es la que llega a tener contacto con la película radiográfica colocada detrás del objeto y protegida por una cubierta (chasis) contra el efecto de la luz. En la película, se produce una imagen latente que se pone de manifiesto como la radiografía del objeto una vez realizado el procesado de la película. En la radiografía, aquellas zonas más oscuras corresponden a las partes donde la intensidad de la radiación ha sido mayor; es decir a las partes del objeto que tienen menor espesor o menor masa especifica. Tabla 3.I. Clasificación de las películas radiográficas. DIN 5411 ASTM-Tipo AGFA KODAK GRONEX Grado I Clase 1 D-2 R NDT-35 Grado II Clase 2 D-4 M NDT-55 Grado III Clase 3 D-5 T NDT-65 Grado IV Clase 4 D-7 AA NDT-70-75

CARACTÉRES Lenta, granos finos Lenta, granos finos Menos lenta Medio rápida, granos gruesos

Fuente. http://www.academia.edu/8013707/RADIOGRAF%C3%8DA_INDUSTRIAL

3.11.4. Uso del ensayo de radiografía industrial La radiografía industrial se utiliza para detectar, interpretar y evaluar discontinuidades internas en los materiales metálicos tales como grietas, porosidades, inclusiones metálicas o no metálicas, defectos de solidificación, etc. - Se pueden utilizar en materiales metálicos y no metálicos, ferrosos y no ferrosos. - Nos permite tener un registro radiográfico permanente de las condiciones internas del material -

inspeccionado. Este registro radiográfico, nos permite identificar las anomalías del material con mayor facili dad. Este ensayo no destructivo se usa en la inspección de calidad de piezas cuya geometría no es complicada y de fácil acceso por dos lados opuestos. Debemos tener presente que la radiografía industrial no detecta defectos de tipo laminar. Se debe tener muy en cuenta las normas de seguridad para protegernos de la radiación. El personal que utiliza la radiografía industrial debe estar capacitado para el manejo del equipo y en seguridad radiológica. El operador del equipo debe tener experiencia práctica de por lo menos 6 meses en el manejo del equipo. 126


La radiografía industrial se puede utilizar como ensayo no destructivo en los siguientes campos: 1. Control de calidad de soldaduras . El desarrollo de nuevas técnicas en soldadura, ha motivado una alteración muy marcada en los proyectos metal-mecánicos. Tales técnicas permiten reparaciones en placas y equipos, con gran economía para la Industria. Un riguroso control de las soldaduras es indispensable para que sus defectos sean localizados y reparados evitándose eventuales perjuicios y accidentes. El ensayo de las soldaduras puede ser realizado por la técnica radiográfica cuyo objetivo será el de verificar la presencia o ausencia de discontinuidades y defectos en la masa del metal depositado o en las zonas adyacentes. La radiografía industrial permite recopilar un expediente del ensayo con registro permanente, ventaja no común en otros ensayos no destructivos. 2. Control de calidad en placas fundidas y forjadas . La radiografía de estos materiales requiere aplicar mucha más técnica que la exigida para soldadura. Las piezas fundidas están generalmente constituidas por secciones con diferentes espesores que dificulta el cálculo para los tiempos de exposición. 3. Control de calidad de tuberías . Las tuberías necesitan muchas veces ser sometidas a ensayos de radiografía para verificar la ausencia de defectos en sus partes (servicio de riesgo) y ausencia de discontinuidades en la soldadura. Generalmente, en la inspección de tuberías se emplean técnicas radiográficas de pared única y de doble pared. 4. En la construcción civil . La radiografía industrial tienen gran aplicación en la construcción civil. Permite verificar la distribución de armaduras metálicas en el interior de columnas, vigas de concreto, detección de vacíos, etc. La gammagrafía, se utiliza en construcción civil por su fácil transporte, la alta energía electromagnética permite inspeccionar columnas hasta de 80 cm de espesor. 5. En el laboratorio. La radiografía industrial es de gran utilidad cuando, en el laboratorio, es necesario examinar el interior de conjuntos selladas. Algunas veces, aparatos considerados delicados presentan defectos originados por la falta de contacto eléctrico y con una buena radiografía se puede observar la disposición interior de los elementos. Las nuevas técnicas radiográficas, permiten el desarrollo de la investigación y el adelanto tecnológico. 3.11.5. Información obtenida con el ensayo de radiografía industrial Al observar una película radiográfica, se debe tener en cuenta tres características fundamentales: Densidad, es el término que describe el grado de ennegrecimiento alcanzado en la película. Cuantitativamente se expresa por el logaritmo en base decimal de la relación entre el haz incidente sobre la película (Io) y el haz transmitido (I t) a través del mismo.

=.  La densidad se mide mediante el densitómetro, los valores los da en porcentaje de transmisión o valores de densidad. Contraste, es una medida de la diferencia entre las densidades de dos zonas vecinas de una radiografía (debido a que recibieron diferentes cantidades de radiación). Al observar una

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radiografía industrial se percibe variaciones de luz transmitida que llega al observador a través de zonas adyacentes. Al establecer la intensidad luminosa de dos áreas adyacentes nos indica indirectamente el contraste. El contraste percibido por el observador es un valor subjetivo que no puede medirse, depende del observador mismo, la calidad de la radiación utilizada en la radiografía y de las condiciones de observación. Si durante el ensayo no destructivo utilizamos una radiación de longitud de onda muy corta atravesará fácilmente el material y la cantidad de radiación incidente sobre la película será relativamente alta sobre toda su superficie, proporcionando contrastes pobres. Si se desea tener un alto contraste se debe emplear radiaciones con la mayor longitud de onda (menor energía de radiación) que sea compatible con el poder de penetración requerido en cada caso. Las películas más contrastadas se obtienen con rayos X generados con el menor kilovoltaje posible. La radiación gamma de cobalto y cesio dan los peores contrastes. Además, el contraste se ve influenciado por las “radiaciones secundarias” que deben ser eliminadas en la medida de las posibilidades. La principal fuente de dichas radiaciones secundarias es la propia pieza examinada. Todos los materiales, además de absorber y transmitir las radiaciones X y gamma, tienen la propiedad de dispersar radiaciones (de menor intensidad y longitud de onda mayor). Las radiaciones secundarias son:

a) Difusión por transmisión , aumenta con el espesor de la pieza y el número atómico del material. b) Difusión por reflexión, incide sobre la película por su cara frontal. Crece con la distancia objeto película (DOP). c) Difusión por retroceso , tras chocar contra otras superficies regresan para incidir sobre la cara posterior de la película. Se mueven en sentido opuesto al haz incidente sobre la pieza.

Figura 3.34. Generación de radiación secundaria. a) Difusión por transmisión, b) Difusión por reflexión, c) Difusión por retroceso.

El contraste como valor objetivo se puede medir mediante un densitómetro y se expresa como la diferencia entre las densidades medidas en dos áreas adyacentes.

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En la práctica, el reconocimiento de pequeñas diferencias de densidades es subjetivamente influenciado por la nitidez de bordes de la imagen y la intensidad luminosa con la cual se observa la película radiográfica. Definición, se denomina así a la nitidez que presentan los contornos de la imagen radiográfica. La falta de nitidez se corrige incrementando la distancia foco película (DFP) y reduciendo la distancia objeto película (DOP), con el fin de minimizar el espesor de penumbra o borrosidad geométrica.

Para tener una referencia que la técnica radiográfica aplicada es la correcta y se ha realizado en condiciones adecuadas; se debe utilizar los penetrómetros o indicadores de calidad de imagen (ICI). Las zonas más oscuras de la radiografía industrial nos indica corresponde a un área menos densa del material ensayado. Las zonas más claras en la radiografía indican que el objeto ensayado presenta zonas más densas A continuación se indica alguna información de defectos más comunes en los metales y sus aleaciones fabricados mediante fusión, de elementos soldados, etc. y su apariencia característica que se obtiene mediante la radiografía industrial. a) En metales fundidos: - Las cavidades de gas y sopladuras son indicadas por áreas oscuras, circulares bien definidas. - La porosidad por contracción se muestra como una zona oscura, fibrosa e irregular que posee

una silueta indeterminada. - Las grietas aparecen como áreas oscuras de ancho variable. - Las inclusiones de arena están representadas por áreas grises o negras de textura irregular o granular. - Las inclusiones en las fundiciones de acero aparecen como áreas oscuras de silueta definida. b) En soldaduras: - La falta de fusión en soldadura se manifiesta en la película radiográfica como líneas oscuras -

delgadas con bordes muy definidos. La línea tiende a ser difusa y ondulada. Las inclusiones de escoria se manifiestan como manchas o scuras de contorno irregular. Escoria alineada, forma sombras alineadas más o menor interrumpidas y paralelas a los bordes de la soldadura. Penetración incompleta, forma líneas oscuras continuas o intermitentes en el centro del cordón de soldadura. Grietas transversales, en la radiografía se observa como líneas oscuras y rectilíneas. Socavaduras, presenta líneas oscuras, a veces anchas y difundidas a lo largo de los bordes del cordón.

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Figura 3.35. Ensayos mecánicos destructivos más usados en el control de cal idad de los materiales metálicos.

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Ensayos de Materiales Metálicos

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