Practicas Materiales

Unidad 3 Tratamientos Trmicos 1.-OBJETIVOS

+ Se pretende dar al alumno una visin prctica de lo estudiado en teora, con la experimentacin en el laboratorio, familiarizndose con los equipos y conceptos siguientes:

Termopares Crisoles Hornos Termostatos Dilatmetros Durmetros Solidificacin Alotropa Relacin de estructuras con las propiedades mecnicas. Recristalizacin Fusin

+ Conocer la incidencia del fenmeno de alotropa en las aleaciones que poseen dicha propiedad,

tanto en el diseo de piezas (por los cambios dimensionales) como en las propiedades mecnicas, elctricas, magnticas etc., que dependen de la estructura.

+ Tomar contacto con los equipos, familiarizarse con los trminos ms comunes utilizados en los

tratamientos trmicos y relacionar los cambios estructurales que tericamente se producen con los cambios en las propiedades mecnicas.

+ Interpretar los grficos de templabilidad obtenidos en los ensayos sobre las piezas, y su aplicacin

prctica. 2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS.

2.1.- CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE UN METAL PURO.

Siguiendo un esquema lgico, comenzaremos por lo que sera el origen de un material tecnolgico originado por la solidificacin, lo que podramos denominar cristalizacin primaria.

El caso ms sencillo y el anlisis ms simple consiste en construir una curva de enfriamiento de

un metal puro, con el objetivo de determinar su punto de fusin.

Si un metal puro se calienta regular y uniformemente desde la temperatura ambiente hasta que pasa al estado lquido (suponiendo que en el estado slido no sufre cambios alotrpicos) y se anota, a intervalos iguales de tiempo, la temperatura determinada mediante un termopar u otro instrumento de

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MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRCTICAS

medida, se percibe una irregularidad en la velocidad de calentamiento que indica la temperatura a la que se produce la fusin (figura 1).

Figura 1. Curvas idealizadas de enfriamiento y calentamiento de un metal puro.

El punto de transformacin puede observarse grficamente si se representa la temperatura en

funcin del tiempo. En forma anloga se obtiene una curva de enfriamiento desde la temperatura a la que se encontraba el lquido, hasta la temperatura ambiente.

En el caso ideal, la temperatura del metal habra de permanecer constante durante los procesos de

fusin y solidificacin, por lo que las porciones AB y AB de las curvas de calentamiento y enfriamiento deberan ser perfectamente rectilneas y paralelas al eje de tiempos. En las curvas ideales, adems, el cambio de pendiente sera discontinuo en lugar de gradual.

Durante el enfriamiento del metal fundido, se establece un gradiente de temperatura entre el crisol y

las paredes del horno. En consecuencia, la capa que primero solidifica es la que est en contacto con las paredes del crisol y esta capa isoterma disminuye el gradiente de temperatura entre el centro y la capa externa de la carga. Por esta causa, decrece la velocidad a que se enfra el centro de la masa del metal y se redondea la curva de enfriamiento.

Cuando solidifica el centro de la carga, la temperatura de la capa externa de metal cae rpidamente,

aumentando su gradiente con respecto al centro, acelerndose la solidificacin de las ltimas porciones de metal lquido y volviendo a redondearse la curva de enfriamiento.

De la anterior discusin se obtiene la consecuencia de que la ltima porcin de la meseta de la

curva de calentamiento y la primera de la de enfriamiento corresponden, en efecto, a los puntos de fusin y solidificacin, respectivamente. Cuando la pendiente es muy grande, la verdadera temperatura de solidificacin se puede obtener extrapolando la porcin ms rectilnea y horizontal de la curva de enfriamiento mediante una lnea recta y observando cundo esta lnea se separa de la curva original. De manera anloga se puede obtener el punto de fusin en la curva de calentamiento.

En general, las curvas de enfriamiento resultan mejor definidas que las de calentamiento, si adems

ponderamos la mejor manipulacin de los equipos y la accesibilidad del alumno a la observacin directa del crisol, que contiene el metal fundido, hace que la representacin de la curva de enfriamiento sea la ms prctica para determinar los cambios de estado, entre ellos el punto de fusin.

2.2.- DETERMINACIN DE PUNTOS CRTICOS DE UN ACERO EUTECTOIDE.

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TRATAMIENTOS TRMICOS

Los puntos crticos en los metales y aleaciones en estado slido son las temperaturas a las que se producen las transformaciones alotrpicas. Se determinan principalmente por dos mtodos: el mtodo dilatomtrico y el de anlisis trmico.

El mtodo ms empleado es el dilatomtrico pero en general, se procura emplear todos los mtodos posibles para la determinacin de cada diagrama de equilibrio, asegurndose que los puntos no han sido influidos por ninguna circunstancia anormal.

Se basa este mtodo en el estudio de la variacin de volumen que experimenta una probeta de la

aleacin objeto de estudio. Cuando en el calentamiento y en el enfriamiento la probeta pasa por un punto crtico, hay un cambio de volumen especfico, y la dilatacin se pone de manifiesto por un sistema que depende del aparato empleado. 2.2.1.- Descripcin del Dilatmetro.

Este dilatmetro consta de un tubo o funda de cuarzo en cuyo interior se coloca una barra de la aleacin problema en contacto con el par termoelctrico de un pirmetro, para conocer en todo momento su temperatura. La barra est apoyada por un extremo en el fondo de la funda de cuarzo, y por otro, a travs de una pequea barra, tambin de cuarzo, en la pieza mvil de un comparador de esfera. Se aumenta la temperatura de la probeta introduciendo el tubo de cuarzo en un horno de temperatura regulable a voluntad, midiendo la dilatacin de la probeta con las indicaciones del comparador.

Figura 3. Dilatmetro con indicador de cuadrante.

El aparato ms utilizado en el mtodo dilatomtrico es el dilatmetro diferencial de Chevenard.

Este aparato est basado en el registro de las diferencias de dilatacin entre una probeta patrn y la del metal que se ensaya. Pero en nuestro caso vamos a utilizar por su sencillez y posibilidades didcticas el ya citado de indicador de cuadrante, cuyo esquema se refleja en la figura 3.

2.3.- TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS.

Los tratamientos trmicos, en general, son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales o aleaciones, a temperaturas y velocidades variables, mediante los cuales se persigue fundamentalmente, conseguir cambios en la estructura cristalina, cambio de fases, bien en su nmero o proporcin, o distribucin, permaneciendo su naturaleza, es decir, su composicin qumica inalterable.

En los experimentos que a continuacin se describen, vamos a aplicar estos tratamientos sobre

un acero, que es un material tratable por excelencia, por la riqueza e inters de las transformaciones que experimentan sus constituyentes.

Los tratamientos trmicos fundamentales como son el recocido, temple y revenido, adquieren al ser aplicados a los aceros, una gran variedad de matices lo que permite obtener el mximo rendimiento en funcin de su aplicacin al acero. Los tratamientos trmicos aplicados a los aceros son los siguientes:

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NORMALIZADO

RECOCIDOS

Recocidos Supercrticos De austenizacin completa. Recocido de regeneracin. De austenizacin incompleta. Recocido globular de austenizacin incompleta. Recocidos subcrticos Recocido globular. Recocido de ablandamiento. Recocido contra acritud. Recocido de estabilizacin. Recocidos isotrmicos Recocidos de austenizacin completa. Recocido de austenizacin incompleta. Recocido patenting (hilo patentado)

TEMPLES

Temples normales De austenizacin completa. De austenizacin incompleta. Temples interrumpidos En agua y aceite. En agua y aire. Temples isotrmicos Austempering Martempering. Temples superficiales Oxiacetilnico. Por induccin

REVENIDO

Tabla 1. Tratamientos Trmicos en Aceros.

De los tratamientos citados, vamos a realizar en el laboratorio experimentos sobre el temple y revenido, incidiendo en su importancia y en los conceptos de capacidad de temple y templabilidad. As mismo se realizar un normalizado. Es de resaltar que la prctica sobre recocido no se realiza por el periodo de tiempo necesario que la hace inviable por el tiempo limitado de que se dispone para la realizacin de las prcticas.

2.3.1.- Definiciones relacionadas con tratamientos trmicos en aceros. Se define templabilidad como la aptitud de los aceros para dejarse penetrar por el temple. Esta

propiedad tiene un significado totalmente distinto de la capacidad de temple, reflejando esta ltima la capacidad de un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante el temple.

En consecuencia, si tuviramos un acero al cromo-nquel y un acero al carbono, detectaramos que

en el primero penetra mucho ms el temple que en el segundo, y podramos decir que la templabilidad de los aceros al carbono es menor que la de los aceros al cromo-nquel.

Por tanto, la templabilidad se refiere nicamente a la facilidad de penetracin por el temple y no a

las caractersticas obtenidas por l.

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Volviendo al ejemplo anterior, podramos comprobar que un acero con 0,6% de carbono, al templarlo, adquiere una dureza superior a la del acero al cromo-nquel, lo que equivale a decir que tiene una mayor capacidad de temple. Sin embargo, la templabilidad del acero al cromo-nquel, es mucho mayor que la del acero al carbono, segn vimos anteriormente.

2.3.2.- Factores que Influyen en la Templabilidad. Influyen en la templabilidad principalmente los elementos aleados y el tamao de grano. Los elementos que ms favorecen la penetracin del temple, es decir, la templabilidad, son el

manganeso, molibdeno y el cromo. Por otra parte, un aumento en el tamao de grano produce un aumento de la templabilidad.

Estos dos factores reflejan su influencia en las grficas representadas en las figuras 4 y 5.

Figura 4. Influencia de los elementos aleados en la templabilidad del acero.

Figura 5. Influencia del tamao de grano y del contenido de carbono en la templabilidad del acero.

2.4.- MEDIDA DE LA TEMPLABILIDAD.

Siendo la templabilidad una caracterstica importante en la eleccin de los aceros, sobre todo para la fabricacin de piezas grandes, se ha trabajado mucho en su determinacin y valoracin.

La determinacin de la templabilidad puede hacerse por el examen de las fracturas de probetas

templadas, por medio de las curvas en U y ms exactamente por el dimetro crtico ideal o por el ensayo Jominy, que es el que vamos a llevar a cabo.

Para aceros de baja templabilidad se emplea una probeta de forma especial, que se coloca a 25 mm

del orificio de salida del agua, debiendo ser la altura del chorro libre de 100 mm. Las curvas Jominy no slo dan idea a primera vista de la templabilidad del acero por su mayor o

menor pendiente, sino que los valores de las durezas a lo largo de la generatriz constituyen una verdadera medida de la templabilidad, ya que obtenidas en condiciones de temple idnticas, slo dependen de las caractersticas del acero ensayado.

2.4.1.- Bandas de Templabilidad. La S.A.E. (Society of Automotive Engineers) y la A.I.S.I. (American Iron & Steel Institute) han

fijado para los aceros aleados de construccin las curvas de mxima y mnima templabilidad, entre las cuales deben estar situadas las curvas de mxima y mnima templabilidad, entre las que deben

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encontrarse las curvas Jominy de cada acero. Estas bandas de templabilidad estn sustituyendo en las especificaciones de recepcin a los anlisis de composicin qumica.

La denominacin normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H

(Hardenability). Como las caractersticas que ms interesan en muchos aceros son sus propiedades despus del

temple y su templabilidad, en EE.UU. se utilizan las bandas de templabilidad para la recepcin de los aceros de los que se obtienen probetas para realizar el ensayo Jominy, sustituyendo as a los anlisis qumicos, ya que la composicin por s sola no da idea de las caractersticas que pudiramos denominar funcionales del acero.

Figura 6. Bandas de templabilidad. Tras la obtencin de la curva Jominy y la capacidad de temple del acero, se ejercitar al alumno

sobre unas hipotticas curvas Jominy, a elegir distintos aceros en funcin de los espesores exigidos para la construccin de unas determinadas piezas, haciendo hincapi en la diferencia entre mxima dureza o capacidad de temple y la templabilidad.

2.5.- POSIBLES ANOMALAS Y DEFECTOS EN LAS PIEZAS TRATADAS.

Falta de dureza. Posiblemente motivada por una descarburacin superficial, por falta de velocidad de enfriamiento o una austenizacin incompleta. Grietas. Posiblemente motivadas por una velocidad de calentamiento incorrecta o una velocidad de enfriamiento excesiva. Irregularidad en los puntos de dureza del ensayo Jominy. Motivadas posiblemente por salpicaduras de agua, descarburacin, y a veces es posible la deteccin de mayor dureza en el punto de apoyo (extremo opuesto al chorro del agua) que en puntos prximos. Esto est motivado por enfriamiento ms rpido por conduccin o a travs del soporte metlico si no est colocada la arandela aislante.

2.6.- OBSERVACIONES ADICIONALES.

Con una lima nueva, se le hace al alumno arrancar material de las piezas tratadas, hacindole ver que puede ser una medida prctica y slo cualitativa del estado de dureza de la probeta, pues sabiendo la dureza de la lima, se puede deducir la dificultad de mecanizado del acero en cuestin y que llegue un momento en que la lima no entra en el material a partir de cierta dureza.

3.- ACTIVIDADES DE APLICACIN. Se proponen para este apartado los ejercicios del captulo 4 de Ejercicios de Autoevaluacin. 4.- ACTIVIDADES PRCTICAS..

4.1- PRCTICA DE DETERMINACIN DE PUNTOS CRTICOS

El material necesario para el desarrollo de la prctica es el siguiente:

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Horno de mufla con termostato Crisol de 500 c.c. de capacidad. (Almina o carborundum) Termopar hasta 1200 C con sonda cilndrica Plomo puro (99,99%) Cronmetro Lupa binocular

Se toma una cantidad de Plomo suficiente para que una vez fundido alcance en el crisol una altura de unos 5 a 7 cm. Se introduce a continuacin el crisol con el Pb slido en un horno de mufla con termostato de regulacin a 450 C. Transcurrido el tiempo suficiente se extrae el crisol de horno con el Pb lquido y con las medidas de seguridad pertinentes para evitar accidentes por salpicaduras con el consiguiente peligro de quemado y se lleva hasta un soporte cermico. Con la ayuda de un cronmetro y con un termopar de lectura digital con sonda de inmersin, se van tomando temperaturas a intervalos de 10 segundos.

Se ir observando una bajada gradual de temperatura en funcin del tiempo hasta alcanzar un pequeo subenfriamiento en que la temperatura se mantiene constante. Repitiendo la toma de temperatura en varios intervalos, se hace notar cmo en las paredes del crisol empieza la solidificacin de la masa (ncleos de solidificacin) y cmo el slido progresa hasta el centro del crisol.

Antes de que la masa metlica est toda slida se extrae la sonda del termopar por dos razones, una obvia que sera que quedara atrapada en el slido, y otra que es debido a que como lo que realmente se pretenda era detectar el punto de fusin y esto se ha conseguido, entonces no es necesario llegar al final de la curva terica que representa la figura 7, pues el intervalo entre t1 y t2 es variable. ese intervalo de tiempo entre t1 y t2 es la duracin de la solidificacin, o lo que es lo mismo, de coexistencia entre las dos fases lquida y slida y que va a depender de factores externos como la cantidad de masa, velocidad de enfriamiento y factores intrnsecos del material, como son el calor latente de solidificacin o fusin.

t2

t1

Figura 7. Curva de solidificacin de un metal puro.

Una vez construida la grfica resultante donde las temperaturas aparecen en el eje de ordenadas de un sistema cartesiano y los tiempos en el eje de abscisas, se hace resaltar que en la meseta de la isoterma, al haber dos fases (metal lquido y slido) en la aplicacin de la ley de Gibbs, se justifica que es un sistema invariante, indicando que el punto de fusin de un metal puro es fijo e invariante.

Finalizado este anlisis, se ha de incidir en la observacin de la masa slida. En esta observacin se aprecia una concavidad, normalmente en el centro del crisol, denominado cono de rechupe. La importancia de este fenmeno, motivada por la diferencia de densidad (y por tanto de volumen) entre el metal slido y lquido, en la industria hace que si efectivamente todos los metales (a excepcin del Sb) ocupan menos volumen en estado slido que como lquido, sea obligado el paliar el efecto del rechupe, pues de no evitarlo, se producen prdidas importantes de material en los despuntes, prdidas de energa empleada en fundir una masa no utilizable y riesgo de que el rechupe quede ocluido con el consiguiente peligro de que aparezca en una pieza terminada con la prdida de calidad que conlleva.

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Por otra parte, y con la ayuda de la lupa binocular (estereoscopio), es frecuente observar en las paredes del cono de rechupe dendritas, fcilmente detectables la mayora de las veces por la solidificacin columnar desde la periferia hasta el centro del crisol.

Contrastar la temperatura de solidificacin obtenida con la terica del Pb.

Se han resaltado las precauciones para evitar salpicaduras. Tambin hay que asegurarse que en el transporte del crisol no haya riesgo de derrame. Por ltimo, dado que el experimento se realiza sobre Pb a alta temperatura, se efectuar la toma de datos en una campana extractora para evitar los vapores perniciosos. No se tocar el crisol con la mano hasta que se tenga la completa seguridad de que est fro.

4.2.- PRCTICA PUNTOS CRTICOS EN UN ACERO EUTECTOIDE.

La importancia del trazado y estudio de la curva dilatomtrica se debe a que la instalacin sufrir los rigores del aumento y descenso de temperatura suministrada por el horno elctrico de que dispone la instalacin.

El ensayo se realiza de la siguiente forma:

Se introduce la probeta de acero dentro de un recipiente de vidrio pyrex translcido. Este recipiente se introduce dentro del horno. Una vez dentro del horno, se introduce el tubo de cuarzo que contiene el termopar, al tiempo que se ajusta el reloj comparador. Despus de ajustar y montar todos los elementos antes mencionados, se conecta el horno y comienza la toma de lecturas. Las lecturas de micrmetro que muestra la dilatacin de la probeta se realizan cada 20 C de aumento de temperatura. Con los resultados obtenidos se construye una grfica, donde, en abscisas, se indican los incrementos de temperatura, y en ordenadas, los tantos por ciento de dilatacin referidos a la probeta. La construccin de la grfica se realizar con dos curvas correspondientes, respectivamente, a los resultados obtenidos al incrementar la temperatura de la probeta y a su enfriamiento.

Colocar la pieza totalmente vertical y en contacto firme con el micrmetro y el extremo del termopar y hacerlo con cuidado de no golpear la base del tubo de cuarzo. Dejar enfriar el horno entre medida y medida. Calibrar el termopar frecuentemente. No retirar la muestra hasta que baje la temperatura, y extraerla con precauciones del tubo de ensayo.

Figura 8. Curva de dilatacin de calentamiento y contraccin en el enfriamiento, acero del 1% de C.

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4.3.- PRCTICA DE TRATAMIENTOS TRMICOS EN ACEROS

El material necesario para desarrollar la prctica es el siguiente: Horno de mufla, con control automtico de temperatura y programable. Pinzas largas para introduccin y extraccin de las muestras del horno. Guantes aislantes. Instalacin para ensayo Jominy. Durmetro Rockwell. Calibre o regla graduada. Lima. Lijadora y pulidora. Microscopio metalogrfico o lupa binocular. Virutas de fundicin. Cuatro trozos de redondo de acero de 25 mm de dimetro. Probeta Jominy. Recipiente con agua o aceite.

Una vez cortadas de un redondo las cuatro muestras y obtenida tras la mecanizacin oportuna la probeta del acero elegido para el ensayo Jominy, (en nuestro caso utilizaremos F-1140, F-1250, F-522. etc.), que debe coincidir con el adjudicado al grupo en otras prcticas, para que los alumnos puedan relacionar todos los ensayos de caractersticas y propiedades sobre un mismo material.

Segn el acero elegido, se programa el horno hasta la temperatura de austenizacin adecuada con una secuencia de calentamiento de 1h/pulgada de espesor, y se dejan las muestras en la mufla el tiempo tambin establecido de h/pulgada de dimetro.

Transcurrido el tiempo establecido, y con las precauciones oportunas, se introducen tres probetas de una en una en agua aceite, para realizar el temple, y otra se deja enfriar al aire calmado, realizando pues sobre el material un normalizado.

Por tanto, disponemos de probetas en estados de recepcin (se ignora si estn tratadas), una con un tratamiento de normalizado y tres que tericamente estn templadas. La forma ms sencilla y rpida de determinar una propiedad mecnica que a su vez est directamente relacionada con las otras, es medir su dureza y determinar su equivalencia con la resistencia que en los aceros al carbono est perfectamente tabulada.

Midiendo pues la dureza por el mtodo Rockwell C se obtienen los datos de dureza del acero con los estados de tratamiento citado anteriormente.

La dureza media de las tres probetas templadas supuestamente de forma correcta, sera la que indica su capacidad de temple o mxima dureza adquirida, pues es funcin de la riqueza de carbono del acero en cuestin.

A continuacin, una de las probetas templadas se introduce en la mufla a 350 C y otra a 550 C. Transcurrida hora, se deja enfriar al aire, y tendremos dos probetas templadas y revenidas a las citadas temperaturas. Posteriormente se las somete a un ensayo de dureza, obteniendo los datos oportunos.

Para facilitar al alumno la toma de datos y ayudarle a relacionar los datos y observar la evolucin de las estructuras y propiedades, se les adjunta una tabla para la toma de datos como la siguiente, que sintetiza todo lo realizado en el ensayo:

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TIPO DE ACERO:

COMPOSICIN QUMICA: ESTADO DE

TRATAMIENTO ESTRUCTURA

METALOGRFICA DUREZA

ROCKWELL C RESISTENCIA

Kp/mm2

RECEPCIN

NORMALIZADO

TEMPLE

REVENIDO A 350

REVENIDO A 550

Sobre esta tabla, se hace al alumno observar la evolucin de la dureza en funcin del tratamiento trmico, y por tanto, su estructura metalogrfica, que se ha de obtener en la observacin microscpica en la prctica correspondiente.

En paralelo, la probeta Jominy se lleva a enfriar en su correspondiente instalacin para realizar el ensayo que nos lleve a obtener su grfica, siendo de vital importancia conocer y matizar este concepto en los aceros.

Desconectar el horno de la tensin justo al introducir o extraer las muestras para evitar riesgos de descarga elctrica. Asegurar la sujecin de las piezas con pinzas firmes. Evitar salpicaduras en la introduccin en el medio de enfriamiento. Si fuese aceite, hacerlo bajo una campana extractora, por los gases desprendidos, con las precauciones oportunas por una hipottica deflagracin. No tocar con las manos las muestras hasta que se tenga la seguridad de que estn fras. Asegurarse que la instalacin para el ensayo Jominy est en condiciones (desages desobstruidos, tanque pulmn lleno, anillo refractario colocado en su soporte, etc.).

4.4.- PRCTICA DEL ENSAYO JOMINY

Este ensayo consiste en templar en determinadas condiciones, el extremo de una probeta cilndrica.

La probeta ms utilizada, que se considera normal, es una barra de 25 mm de dimetro y 100 mm de longitud, que lleva en el extremo que no se templa un reborde de 3 x 3 mm, aunque tambin se utilizan probetas totalmente cilndricas, suspendidas en una arandela de acero refractario.

. Figura 9. Probeta normal para ensayo Jominy.

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La temperatura de austenizacin ser de unos 50 a 60 C por encima de Ac3 (temperatura del lmite inferior austentico) o A1 (727C) segn sea acero hipo o hipereutectoide, debiendo tomar precauciones para evitar que se descarbure u oxide la probeta durante el calentamiento, colocndola por ejemplo, rodeada de viruta de fundicin. La probeta deber mantenerse a esta temperatura durante unos 30 minutos, ya que la norma indica que la duracin del temple debe ser de 1 hora por pulgada.

El enfriamiento se realiza en una instalacin especial para este ensayo (figura 8), en la cual la probeta recibe un chorro de agua a una temperatura comprendida entre 10 y 40 C, por un orificio de 12,5 mm de dimetro de salida de agua. El caudal de agua se regula de manera que la altura del chorro sea de unos 65 mm cuando la probeta no est colocada encima de l (sto puede conseguirse con un depsito de nivel constante). La canalizacin debe disponer de otra vlvula independiente para abrir y cerrar con rapidez.

La probeta debe sacarse del horno y colocarse en el aparato enfriador lo ms rpidamente posible, mantenindola sobre el chorro de agua durante 10 minutos, pasados los cuales se completa su enfriamiento hasta la temperatura ambiente sumergindola en agua.

Figura 10. Aparato especial para el ensayo Jominy.

Terminado el ensayo se planean, con precaucin de no calentarlas para evitar el revenido, dos generatrices opuestas sobre la superficie del cilindro, rebajando de 0,4 a 0,5 mm.

A continuacin, se determinan las durezas sobre la lnea central de estos planos de puntos situados a intervalos de 1/16 a partir del extremo templado. Los valores obtenidos se llevan a un grfico donde en ordenadas se representa la dureza Rockwell y en abscisas, la distancia al extremo templado.

Figura 11 Curva Jominy.

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5.- BIBLIOGRAFA 1. P. Coca y J. Rosique. Ciencia de Materiales. Teora Ensayos y Tratamientos. Ed. Pirmide. 1992.

Captulo 9 y 27. 2. J. Apraiz. Tratamientos Trmicos de Aceros. Ed. Dossat. Captulo 6, 7 y 8. 3. J.M Lasheras y J.F. Carrasquilla. Ciencia de Materiales. Ed. Donostiarra. 1992. Captulo 8 y 19. 4. J. Ojados. Apuntes de Aceros. 1995.

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Unidad 4 Ensayos Mecnicos 1.-OBJETIVOS

Al trmino de la unidad el alumno deber ser capaz de:. + Entender e interpretar las grficas tensin-incremento de longitud, obtenidas en los ensayos de

traccin. + Ser capaz de calcular los siguientes parmetros en un material a la vista de la grfica tensin-

alargamiento. a) Mdulo de Elasticidad. b) Lmite Elstico. c) Resistencia a la Traccin. d) Alargamiento a la Rotura. e) Estriccin a la Rotura. + Determinar la resiliencia de un material. + Interpretar las zonas de fractura del material y deducir los tipos de rotura. + Conocer los mtodos de dureza ms utilizados en la industria. + Conocer las equivalencias entre los distintos mtodos de ensayos de dureza. 2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS.

2.1.- INTRODUCCIN

Los ensayos mecnicos de materiales, tambin denominados ensayos destructivos, son necesarios por muchas razones, siendo muy amplia la materia a que los mismos se refieren. Algunos de los fines de los ensayos mecnicos de materiales son: a.- Determinar la calidad de un material. ste puede ser un aspecto del control del proceso en una instalacin de produccin. b.- Determinar propiedades tales como la resistencia, la dureza y la ductilidad. c.- Estimar las posibilidades de rendimiento de un material en condiciones de servicio particulares. Es obvio que no existe un tipo de ensayo que pueda proporcionar toda la informacin necesaria sobre un material y sus posibilidades de actuacin, existiendo diferentes tipos de ensayos destinados a la valoracin de los materiales. Adems, hay muchos ensayos especiales destinados a valorar alguna propiedad particular de un material, o a obtener informacin del comportamiento posible de una pieza o conjunto, o ver la aptitud de un material frente a un proceso concreto de fabricacin (ensayos tecnolgicos). Se presenta una clasificacin de los distintos Ensayos Mecnicos que podemos realizar sobre materiales.

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Traccin Compresin

Flexin Cizalla

Torsin

Brinell Vickers

Rockwell Shore

Poldi Knoop

Dureza

ESTTICOS

Fatiga

Charpy Izod

Impacto-Traccin

Impacto

DINMICOS

Plegado Embuticin

Punzonado

TECNOLGICOS

ENSAYOS MECNICOS

2.2.- ENSAYOS DE TRACCIN EN MATERIALES.

El ensayo de traccin se utiliza para evaluar la resistencia de los materiales. El ensayo consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un esfuerzo axial de traccin creciente hasta la rotura, en un corto intervalo de tiempo y a una velocidad constante.

Figura 1. Esfuerzo de traccin sobre una probeta.

Para la realizacin del ensayo se utiliza una Mquina Universal de Ensayos como se muestra en la Figura. La capacidad de esta mquina vara segn el material objeto de ensayo, por ejemplo, en materiales de construccin, se utilizan mquinas con una capacidad alrededor de 500 KN; en materiales metlicos, de 200 KN y en materiales polimricos de 25 KN.

Figura 2. Esquema e imagen de una Mquina Universal de Ensayos.

La fuerza aplicada a la muestra objeto de ensayo se registra, mientras el incremento de longitud que sufre el material puede obtenerse a partir de la seal de un extensmetro externo acoplado a la muestra. En la figura se muestran dos tipos de curvas: en la primera se representa fuerza-incremento de longitud y en el segundo caso tensin-alargamiento. Estas curvas son las ms habituales y sern objeto de nuestro estudio.

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ENSAYOS MECNICOS

Figura 3. Curvas caractersticas obtenidas en los ensayos de traccin.

2.2.1.- Probetas utilizadas en los ensayos de traccin. Las probetas son porciones de materiales preparados para ensayar, en algunos casos esta preparacin implica mecanizar, inyectar, troquelar etc. En cualquier caso siempre se prepararn de acuerdo con las normas. La seccin transversal de la probeta podr ser circular, cuadrada o rectangular y, en casos especiales, de otras formas. En Espaa, las dimensiones ms generalizadas suelen ser de 13,8 mm de dimetro y 100 mm de distancia entre puntos, en probetas de acero. Su ley de semejanza es:

67,66DL20 =

Figura 4. Tipos de Probetas para ensayos de traccin y mordazas utilizadas.

El tipo de probetas utilizadas para ensayos de traccin vara considerablemente. En la figura se muestran distintos tipos de probetas y las mordazas donde van fijadas las probetas a la mquina de ensayo.

2.2.2.-Fundamento del Ensayo de Traccin. De la realizacin y obtencin de las curvas tensin-alargamiento se pueden determinar distintos parmetros del material tales como: Mdulo de Young o de Elasticidad (E); Tensin de fluencia; Tensin de Rotura o Resistencia a la Traccin, %Alargamiento a la Rotura y % Estriccin a la Rotura. Pasemos a continuacin a definir todos estos parmetros.

Distancia entre puntos (L). Es la longitud medida en cualquier momento entre las referencias marcadas en la parte cilndrica o prismtica de la probeta, antes de comenzar el ensayo. En particular, se denominan como se indica a continuacin:

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a.- Distancia Inicial entre puntos (Lo). Es la longitud medida entre los puntos de referencia

citados, antes de la aplicacin de la carga. b.- Distancia Final entre puntos (Lf). Es la longitud medida despus de la rotura de la probeta

y de la reconstruccin de sta, mediante la aproximacin cuidadosa de las partes obtenidas, a fin de que encajen lo ms perfectamente posible, estando sus ejes en prolongacin.

c.- Incremento de longitud: Diferencia entre la Distancia entre puntos para una determinada fuerza (L) y la Distancia Inicial L = L - Lo.

Figura 5. Distancia entre puntos y dimetros de la probetas antes y despus del ensayo.

Tensin unitaria () [MPa o Kp/mm2]. Es el cociente de dividir la carga a que est sometida la probeta, en cualquier momento del ensayo, por la seccin inicial. Las unidades para expresar la tensin unitaria son generalmente MPascal [106 N/m2] o Kp/mm2. Alargamiento () [%]. Es el aumento de la distancia inicial entre puntos de la probeta una vez sometida a la carga prescrita y despus de descargada, expresada en tanto por ciento segn la frmula siguiente:

100=Lo

LoLi Alargamiento a la rotura (R) [%] Es el aumento de la distancia inicial entre puntos despus de producida la rotura de la probeta y reconstruida sta, expresado en tanto por ciento de la distancia inicial segn la frmula siguiente:

100=Lo

LoLfR

Estriccin () [%] Es la diferencia entre el rea de la seccin inicial (So) y el rea de la seccin (Si) una vez sometida a la carga prescrita y despus de descargada, expresada en tanto por ciento segn la frmula:

100100 222==

DoDiDo

SoSiSo

Estriccin a la rotura (R) [%] Es la diferencia entre el rea de la seccin inicial (So) y el rea mnima (Sf) de la probeta despus de la rotura, expresada en tanto por ciento segn la frmula siguiente:

33

ENSAYOS MECNICOS

100100 222==

DoDfDo

SoSfSo

R

Resistencia a la Traccin o Tensin de Rotura (R) [MPa o Kp/mm2] Es la carga unitaria mxima soportada por la probeta durante el ensayo. Tensin ltima (U) [MPa o Kp/mm2] Es la carga unitaria en el momento de la rotura de la probeta. Mdulo de Young o de Elasticidad (E) [MPa o Kp/mm2]. El Mdulo de Young puede ser evaluado a partir de la pendiente en la porcin lineal elstica de la curva fuerza-incremento de longitud obteniendo el valor segn la frmula:

SoLoPendiente=

o de la curva tensin alargamiento:

Pendiente= Para el caso de materiales polimricos o algunos metales muy dctiles que no poseen una perfecta linealidad en la zona de deformaciones elsticas, el mdulo E se calcula como el mdulo secante a un alargamiento del 0,2%, tal y como se muestra en la figura. El mdulo secante vendr dado por la pendiente del segmento OA.

Figura 6. Clculo del Mdulo Secante de un material.

Fluencia y Lmite Elstico (E) [MPa o Kp/mm2]. En algunos materiales que sufren una transicin del periodo elstico al plstico de forma gradual, el punto donde empiezan a producirse las deformaciones permanentes (fluencia), se denomina a menudo lmite proporcional. En tales casos, la posicin de este punto no puede ser determinada con precisin. Por este motivo se ha establecido una convencin por la cual se traza una lnea recta paralela a la lnea elstica del diagrama de tensin-alargamiento, desplazada por un determinado alargamiento, generalmente 0,2%. La tensin correspondiente a la interseccin de esta lnea con el diagrama tensin-alargamiento, se denomina lmite elstico.

Figura 7. Clculo del Lmite Elstico al 0,2%.

34


Para aquellos materiales que tienen una regin elstica no lineal, la utilizacin del mtodo anterior no es posible, y la prctica usual es definir el lmite elstico como la tensin necesaria para producir una determinada deformacin plstica. Para estos materiales, esta tensin se puede tomar en funcin del 0,1; 0,2 0,5% de alargamiento. El valor calculado se expresa con el respectivo % de alargamiento utilizado. El valor se obtiene trazando una paralela a la lnea elstica de la grfica, a partir de 0,1% de alargamiento o el valor de alargamiento deseado hasta intersectar en la curva, obteniendo por proyeccin el valor de la tensin.

Figura 8. Clculo del Lmite Elstico al 0,1%

En el caso de materiales frreos y en concreto de los aceros, tambin podemos distinguir otros parmetros en las curvas tensin-alargamiento.

Figura 9. Curva tensin-alargamiento de un acero.

Lmite elstico aparente superior (Punto A). Es el valor de la carga unitaria medida al comienzo de la deformacin plstica al iniciarse el fenmeno de fluencia o el valor de la carga unitaria medida en el primer mximo que aparece en la figura al iniciarse la fluencia, aunque ste sea igual o inferior a otros mximos que puedan presentarse durante dicho fenmeno.

Lmite elstico aparente inferior (Punto B). Es la carga unitaria ms baja que soporta la probeta, al final de la fluencia, sin tener en cuenta las oscilaciones intermedias. Veamos a continuacin un ejemplo, donde calcularemos y aplicaremos todas las definiciones anteriormente expuestas. En la siguiente figura se muestra la curva fuerza-incremento de longitud, en material polimrico. Las dimensiones de la probeta fueron las siguientes: Anchura: 12,61 mm, espesor: 3,47 mm; Longitud inicial: 50 mm; Longitud final despus de la rotura: 97 mm. La mxima fuerza alcanzada en el ensayo

35

ENSAYOS MECNICOS

fue de 1290 N. Calcule: Mdulo de Elasticidad o de Young (GPa); Tensin de rotura o Resistencia a la Traccin (MPa); %Alargamiento a la rotura.

Clculo del Mdulo de Elasticidad o de Young (GPa). E = Pendiente x (Longitud Inicial / Seccin Inicial ) Pendiente: En 0,1 mm de incremento de longitud es el 0,2% de 50 mm de longitud y corresponden con una fuerza aplicada de 112 N. Pendiente= Fuerza / Extensin= =1,12 / 10-4= 1,12x10-6 (N/m) Seccin = 1,261 x 10-2 x 3,47 10-3 = 4,38 x 10-5 m2 Longitud inicial Lo= 50 mm E = 1,28 (GPa)

Clculo de la Tensin de Rotura o Resistencia a la Traccin (MPa). R= ( Fmxima / Seccin Inicial)= 1290 / 4,38 x 10-5 = 29,45 MPa %Alargamiento a la Rotura (R) R=[(Longitud Final Lf - Longitud Inicial Lo) / Longitud Inicial Lo] x 100 = = [ (97-50) / 50 ) ] x 100 = 94%.

2.2.3.-Observacin de las Superficies de Fractura en la Probeta. El examen de las probetas despus de la rotura sirve para completar la informacin numrica que se ha obtenido en el ensayo de traccin. En este apartado nos centraremos en la descripcin de las superficies de fractura como consecuencia de la aplicacin de un esfuerzo uniaxial sobre aceros. Los trminos Dctil y Frgil son utilizados desde el punto de vista de la existencia o no de deformacin plstica que precede a la rotura del material. Las fracturas dctiles son aquellas que ocurren por la formacin y coalescencia de microgrietas en el interior del material. La forma copa-cono que se muestra en las figura 10 a y b ocurre como resultado de una apreciable deformacin plstica y por consiguiente es una fractura dctil. En este caso la fractura comienza en el interior del material propagndose hasta la superficie producindose la separacin final por un efecto de cizalla, la cual se sita en la pared de la copa del material. La fractura frgil que se muestra en las figuras 10 c y d, se caracteriza por la aparicin de unas estras que emanan del centro de la superficie de fractura. Las estras se propagan paralelas a la direccin de las grietas. La presencia de manchas brillantes tambin delata la presencia de una fractura frgil.

a b c d

Figura 10. a y b Forma Copa-Cono respectivamente que indican fractura dctil. c y d. Superficies que presentan fractura frgil.

36


Tambin es interesante observar la finura de grano y si existen inclusiones, poros y otras irregularidades que ayudan a conocer con ms precisin la calidad del material. Finalmente, es conveniente observar el aspecto de la estriccin, porque una gran estriccin indica que el alargamiento es elevado, mientras que una baja estriccin es seal de poco alargamiento.

2.3.- ENSAYO DE RESILIENCIA.

Hay muchos materiales que ante la actuacin de un esfuerzo se comportan de una manera plstica pero en otras ocasiones se manifiestan de una forma frgil.

Generalmente tres son las causas que pueden motivar un comportamiento ms frgil ante la

actuacin de un esfuerzo:

Descenso de temperatura. Casi todos los metales o aleaciones se vuelven ms frgiles al descender la temperatura. Los casos ms relevantes se dan en aquellos que cristalizan en sistema cbico centrado en el cuerpo, donde se presenta una temperatura de transicin en la que disminuye bruscamente su plasticidad (ver fig.11). El efecto de la triaxilidad. Normalmente sobre los materiales actan esfuerzos en una sola direccin del espacio, pero cuando est lo hace en dos o tres direcciones restringe la capacidad de deformacin del material, aumentando por lo tanto su fragilidad. Cuando acta un esfuerzo sobre un material con entalla (aunque sea slo en una direccin del espacio), adems de provocar un efecto de concentracin de esfuerzos, crea unas tensiones en las tres direcciones del espacio (triaxilidad), que restringen su deformacin . El efecto de la velocidad de aplicacin de la carga. Se ha comprobado que conforme aumenta la velocidad de aplicacin de la carga, disminuye la capacidad para deformarse un material, es decir aumenta su fragilidad.

Figura 11. Influencia de la temperatura en el comportamiento de distinos materiales.

Es obvio que se presentarn en muchas ocasiones en las que los materiales sufran la actuacin de esfuerzos en condiciones que afecten a la plasticidad de los mismos y es por tanto necesario un ensayo que nos permita medir la respuesta de un material cuando est sometido a estas condiciones. Normalmente se hacen ensayos que nos sirven para conocer la tenacidad del mismo (Cantidad de energa consumida por unidad de seccin para deformar y romper un material). Aunque no tienen el mismo significado, hay una correspondencia entre plasticidad (cantidad de deformacin) y tenacidad (consumo de energa), por lo que implica que un material muy tenaz es un material con alta plasticidad y a la inversa. Los ensayos ms empleados para medir la resiliencia de un material (energa consumida por unidad de seccin) son el mtodo Charpy (muy empleado en Europa) y el Izod (ms empleado en Estados Unidos).

2.3.1.- Tipos de Ensayo de Impacto. Los ensayos ms importantes hoy da para predecir el comportamiento de un material ante la accin de cargas dinmicas por flexin son los mtodos Charpy e Izod.

37

ENSAYOS MECNICOS

En general, consisten en un pndulo (ver fig 12), con una determinada masa pendular, que sube hasta una cierta altura h y, por lo tanto, con una energa potencial determinada (Ep1), y se deja caer rompiendo por flexin una probeta (a una altura 0), subiendo despus de haber perdido energa (la consumida en la deformacin y rotura de la probeta) hasta una altura h con una energa potencial Ep2. La diferencia de energa potencial nos dar la energa consumida y al dividirla por el valor de la seccin de la probeta, el valor de resiliencia. En estos ensayos, probetas normalizadas se rompen de un solo golpe, midiendo la energa consumida para producir la rotura. Se entiende por resiliencia, la energa absorbida en la rotura por unidad de seccin, expresada en Kp/cm2.

Figura 12. Pndulo para Ensayos de Impacto

La resiliencia, por si sola no es suficiente para medir la tenacidad de un material. Es decir, la

resiliencia es un valor que caracteriza a un material sometido a determinadas condiciones de ensayo, pero que no predice su comportamiento en situacin real de servicio. No obstante, es un mtodo vlido para contrastar la calidad de distintos metales o aleaciones.

2.3.1.1.- Ensayo Charpy. El pndulo con el que se realiza este ensayo, est constituido por dos montantes verticales unidos por su parte inferior a una base rgida, y un eje horizontal alrededor del cual gira un brazo que tiene en su extremo una pesa en forma de disco. El disco presenta una arista afilada que forma un ngulo de 30, con radio de 1 mm., y que se encarga de romper la probeta por choque (ver figura 12).

En la parte inferior del montante hay dos apoyos regulables sobre los que descansa la probeta en posicin horizontal, de forma que la cara entallada quede opuesta a la cara que recibe el golpe.

Para realizar el ensayo se levanta el pndulo a una determinada altura (en nuestro caso 1,5 m.

o un ngulo de 16110) dejndola caer despus. Al incidir sobre la probeta, la rompe y sigue movindose hasta una altura inferior a la de cada, pues parte de la energa que llevaba se consume en el choque, siendo sta la energa que utilizaremos para calcular la resiliencia.

Para medir esa energa, la mquina dispone de una aguja que es arrastrada por el pndulo, indicando en un disco graduado, el ngulo que alcanza el pndulo despus del choque o, directamente por ser proporcional, la energa consumida. Con estos datos podemos deducir el valor de la resiliencia pues, como hemos dicho, la energa nos viene dada directamente en el disco graduado o la hallamos por diferencia de alturas (que conocemos en funcin de los ngulos de cada y subida), siendo la seccin la correspondiente a la probeta. Se han normalizado tres tipos de pndulos capaces de desarrollar una energa de 10, 30 y 300 Kpm, respectivamente.

Con los de 10 y 30 Kpm. se ensayan probetas de 10 x 10 mm de seccin colocados en apoyos que distan 40 mm. El de 10 Kpm. se utiliza para mtales de baja resiliencia como Al, Zn, etc.

38


Con el pndulo de 300 Kpm. se ensayan probetas de 30 x 30 mm de seccin y una distancia entre apoyos de 120 mm.

La eleccin del tipo de probeta se hace de acuerdo con el material objeto de ensayo. Por lo

general, las probetas de los materiales ms dctiles deben poseer entalladuras ms agudas y profundas que los normales.

Figura 13. Probeta tipo Mesnager.

El tipo de probeta de mayor uso en Espaa es la de Mesnager, con una entalladura de 2 mm. de

profundidad, 2 mm. de anchura y el fondo redondeado con 1 mm. de radio (ver fig. 13). Los valores de resiliencia varan entre 30 Kpm/cm2 para aceros extradulces y 5 Kpm/ cm2 para aceros extraduros.

El tamao y forma de las probetas tiene una importancia extraordinaria en los resultados, por

ejemplo, manteniendo constante la altura de una probeta y aumentando la anchura, se obtienen valores de resiliencia decrecientes, debido a que la zona donde se experimentan mayores alargamientos, influye cada vez en menor grado conforme aumentamos la anchura. 2.3.1.2.- Ensayo Izod. Es tambin un ensayo de flexin por choque muy semejante al de Charpy. Se caracteriza porque la probeta entallada est sujeta por un extremo y libre por el otro (ver fig. 14). Sobre este ltimo recibe el golpe de la maza pendular (en este caso, cuando la maza golpea lo hace con una energa de 19,6 Kpm.) . El golpe lo recibe por la cara de la entalla, que debe quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujecin. La maza golpea a una distancia de 22 mm. de la entalla.

Figura 14. Configuracin del Ensayo Izod.

Las probetas que se utilizan son, por lo general, de 130 mm. de longitud con tres entallas en distintas caras que distan 28 mm. entre s, de forma que se pueden efectuar tres ensayos sobre la misma probeta, siendo el resultado final el promedio de los tres.

2.3.2.- Consideraciones sobre los Ensayos de Flexin por Choque. 1. Las probetas deben cumplir siempre las dimensiones y tolerancias establecidas en cada caso, ya

que para que los resultados sean comparables, las probetas deben tener iguales caractersticas geomtricas.

2. Las probetas deben estar bien mecanizadas, no presentando rayas ni marcas de mecanizado.

39

ENSAYOS MECNICOS

3. La profundidad y forma de las entalladuras deben ser la ms exacta posible. Cualquier rugosidad que presenten puede variar el valor de la resiliencia.

4. Las distancias entre apoyos deben ser siempre las mismas para que los resultados sean

comparables. 5. Al aumentar la velocidad de cada se dificulta el deslizamiento cristalino, es decir, un aumento de

velocidad supone una disminucin de la resiliencia. 6. Normalmente y salvo casos especiales los ensayos se realizarn a una temperatura constante

203C, ya que las variaciones de temperatura pueden modificar extraordinariamente los resultados. Un descenso de temperatura provoca una disminucin de ductilidad y resiliencia.

7. Es necesario sealar el proceso seguido para obtener la probeta, pues los valores de resiliencia

varan segn el lugar de donde han sido extradas, por ejemplo, en las piezas de acero, segn sean del centro o de la periferia.

8. Hay que indicar la orientacin de las probetas respecto al sentido de forja o laminacin (si lo

tienen) pues los valores obtenidos en probetas extradas en sentido transversal, son inferiores a los de las obtenidas en sentido longitudinal. Para evitar errores de interpretacin conviene efectuar ensayos longitudinales y transversales.

9. Si designamos por 1 y t a las resiliencias longitudinales y transversales, respectivamente,

podemos obtener el coeficiente K:

1

tK =

10. No se considera vlido un ensayo si la probeta no sufre una rotura total. La calidad del metal ser mayor cuanto ms cercano a la unidad sea el valor de K.

2.4.- ENSAYOS DE DUREZA.

De forma genrica se entiende por dureza la resistencia superficial a la deformacin de un slido. Aunque no es una propiedad fundamental de un material, a partir de ella se pueden obtener informaciones acerca de las caractersticas mecnicas del mismo, ya que est relacionada con las propiedades elsticas y plsticas. El valor de dureza obtenido en un ensayo determinado sirve slo como comparacin de ese material con otros, o con l mismo, tras un tratamiento efectuado sobre l. El procedimiento de ensayo y la preparacin de la muestra tienen la ventaja de ser sencillos, rpidos y en algunos casos no destructivos. Adems, a partir de la dureza de un material se puede obtener cierta informacin sobre sus caractersticas mecnicas. composicin resistencia al desgaste, dificultad de mecanizado, influencia de los tratamientos trmicos o mecnicos que ha sufrido, etc. La moderna tecnologa aplicada a las construcciones metlicas y las transformaciones a que pueden someterse las estructuras internas de los metales, mediante procesos trmicos y de aleacin demuestran la importancia que para la industria tiene el conocimiento a priori de la dureza de los materiales para la correcta utilizacin de los mismos. Los diversos ensayos de dureza se pueden dividir en tres grandes grupos: l. Ensayos de dureza al rayado. 2. Ensayos de dureza por penetracin esttica. 3. Ensayos de dureza elstica o dinmicos.

40


2.4.1.- Ensayos de Dureza al Rayado.

Es el primer procedimiento para determinar la dureza y se debe a Friedrich Mhor. Este procedimiento consiste en una escala de dureza formada por diez minerales de forma que cada uno de ellos es rayado por el siguiente. Si un material es rayado por uno de los minerales de la escala y no por el siguiente, su dureza se encontrar entre esos dos valores de la escala. Dentro de los ensayos de dureza al rayado, son tambin importantes los ensayos con la lima, en los que el material se somete a la acci6n de una lima de forma y dureza determinadas. Este tipo de ensayos son muy rpidos y sencillos, aunque no tan precisos.

Dentro de este tipo de ensayos destaca tambin el mtodo de Martens; ste ide un aparato con una punta piramidal de diamante, con un ngulo en el vrtice de 90", sobre el cual, mediante un brazo de palanca, acta una carga. La probeta se desplaza bajo el diamante producindose as un surco en ella. Midiendo la anchura de la raya en micras, se calcula la dureza segn:

210000W

M = (W = m)

2.4.2.-Ensayos de Dureza por Penetracin Esttica. Se utilizan diversos mtodos que se diferencian en la forma de los penetradores, en la carga que se aplica y en la forma de expresar el valor de la dureza. Los ms importantes son los denominados Brinell, Vckers y Rockwell. 2.4.2.1.- Dureza Brinell.

Se caracteriza porque la impresin se produce mediante una bola de acero extraduro a la que se le aplica una carga con el fin de que deje una huella impresa en el material (Ilustracin 1).

La impresin de la huella ser un casquete esfrico. Llamando D al dimetro de la bola, P a la carga aplicada y d al dimetro de la huella, la dureza vendr dada por:

)dDD(D

P2H22

=

Este ensayo se estableci para una carga de 3000 Kp y un

dimetro de bola de l0 mm, para determinar durezas de hierros y aceros con espesores mayores de 6 mm. Se comprob posteriormente que para espesores menores y para materiales ms blandos, el material sufra grandes deformaciones que impedan la obtencin de una huella clara y fiable. Para solucionar este problema, haba que actuar con cargas distintas, lo que haca necesario el empleo de un penetrador de distinto dimetro. Se comprob que para que el ensayo fuera vlido y cotejable, las huellas tienen que ser semejantes y cumplir la relacin:

Figura 15.Ensayo Brinell )(22

221

1 cteKDp

Dp ==

Este ensayo se caracteriza por provocar en la pieza una huella producida por una bola de acero

extraduro, o en casos especiales, de carburo de Wolframio de dimetro determinado al actuar sobre ella una carga tambin prefijada. Se producir entonces una huella en forma de casquete esfrico sobre la pieza, de dimetro d y superficie S. El valor de dureza Brinell es:

41

ENSAYOS MECNICOS

SPHB = , pero como S = D f = 22D-D(D

21 d )

sustituyendo, queda: )D-D(D

222 d

PHB

=

Por tanto, para hallar H slo hay que medir d, ya que P y D son constantes. Para ejecutar este ensayo se precisa disponer de lo siguiente: a) Una mquina capaz de actuar sobre la bola la carga deseada, medida con un error inferior al 3%. b) Un microscopio con retculo graduado, capaz de medir la huella con una precisin de 0,01 mm.

Factores que deben tenerse en cuenta en la realizacin de este ensayo: a) La eleccin de cargas y bolas se realiza teniendo en cuenta el criterio aproximado que marca el material en cuanto a dureza y espesor. Cuanto ms blando sea el material, tanto menor debe ser la constante de ensayo K. b) Del mismo modo, cuanto ms delgadas Sean las piezas, menores han de ser las cargas y los dimetros de las bolas. Las precauciones que deben tenerse en cuenta son: l) Que la zona superficial de la pieza donde se ha de realizar el ensayo est completamente limpia, pulida, exenta de defectos y dispuesta normalmente a la direccin de la carga. En las superficies curvas es necesario rectificar una zona de tamao adecuado. 2) Que el espesor de la pieza no sea inferior a 10 veces la flecha del casquete de la huella. La determinacin del espesor es fundamental, pues el ensayo no debe dar lugar a que la huella quede marcada en la parte opuesta. 3) Que el centro de la huella diste del borde de la pieza ms de 2d. 4) Que la carga aumente lentamente y se mantenga constante durante cierto tiempo. Para ms detalles sobre la realizacin del ensayo consultar la norma UNE 7017. Habiendo tomado las precauciones antes citadas, estamos en condiciones de efectuar el ensayo.

Disponemos de un durmetro Brinell empleando una bola (penetrador) de D= l0 mm. Colocaremos sobre la plataforma situada sobre el husillo la pieza o muestra cuidando que sta asiente bien y que la superficie de actuacin de la bola est perfectamente plana y rectificada para que la huella sea exactamente un casquete esfrico.

As, la designacin de este ensayo se hace escribiendo el nmero de dureza seguido de la letras HB y de las caractersticas del ensayo: bola/carga/tiempo.

110 HB 10/3000/30

Tiempo de ensayo

Fuerza

Dimetro de la bola

42


Dureza Brinell

n de dureza

Existen tablas (como la que se adjunta) de doble entrada que dan los valores de HB en funcin de P y d. En este tipo de ensayos, si el material sometido a ensayo tiene poco espesor, los resultados s falsean, pues la huella no es slo superficial sino que se deforma todo el material. Para obviar este inconveniente se pueden obtener nmeros Brinell iguales siempre que las cargas aplicadas se mantengan proporcionales a los cuadrados de los dimetros de las bolas, porque en estas circunstancias se obtienen huellas geomtricas semejantes. A estas relaciones se les llaman constantes de ensayo y se han elegido de forma que:

24DdD

ENSAYOS MECNICOS

Se diferencia del Ensayo Brinell en la sustitucin del penetrador de bola por una pirmide cuadrangular de diamante, con lo que se consigue una mayor penetracin y la posibilidad de medir materiales muy duros sin sufrir deformacin (hasta 1000 Kp/mm2 ) debido a la gran dureza del diamante.

Las caras opuestas de la pirmide forman un ngulo de 136. Las cargas a que se somete al material oscilan entre 5 y 120 Kgf, siendo el tiempo de duracin de la carga de 10 a 15 segundos. El nmero de dureza Vickers se define por HV, que se obtiene de la siguiente expresin:

22 DP8544,1

D68senP2HV ==

P= carga y D= diagonal de la huella.

2.4.2.3.- Dureza Rockwell. Tiene la ventaja sobre los dos mtodos anteriores, de una mayor rapidez de realizacin del ensayo, aunque no tiene la misma precisin.

Se utiliza como penetrador, segn los casos, una bola de acero o un cono de diamante de ngulo en el vrtice de 120, con un extremo esfrico de 0, 2 mm. de dimetro. En este ensayo no se mide la superficie de la huella, sino su profundidad. Con el fin de obtener una superficie de referencia a partir de la cual se pueda medir la penetracin del punzn, se somete ste a una pequea carga previa (10 Kp) que producir una huella de profundidad ho. A continuacin se hace actuar la carga adicional (90 140 kp) con lo que la profundidad de la huella alcanza el valor h1. Se retira la carga adicional y el penetrador retrocede debido a la recuperacin elstica del material quedando una profundidad permanente h. La penetracin ser:e = h-ho que se mide mediante un dispositivo accionado por el penetrador.

Figura 17. Ensayo Rockwell C. (Penetrador: Cono Diamante y Carga de 150 Kg)

En la tabla se indican los distintos tipos de ensayos Rockwell que se utilizan en la industria.

Escala Carga Kg Penetrador Materiales tpicos A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburos de

tungsteno, etc. B 100 Bola de 1/16 Materiales de dureza media, aceros al carbono

bajos y medios, latn, bronce, etc. C 150 Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y

Figura 16. Ensayo Vickers.

44


revenidas. D 100 Cono de diamante Aceros superficialmente cementados. E 100 Bola de 1/8 Hierro fundido, aleaciones de aluminio y

magnesio. F 60 Bola de 1/16 Bronce y cobre recocidos. G 150 Bola de 1/16 Cobre al berilio, bronce fosfrico, etc. H 60 Bola de 1/8 Placa de aluminio. K 150 Bola de 1/8 Hierro fundido, aleaciones de aluminio. L 60 Bola de 1/4 Plsticos y metales suaves, como el plomo.

Para determinar la dureza en chapas muy delgadas, en capa cementadas o nitruradas, y en aquellos casos en que la impresin de la huella tenga que ser pequea, se utiliza el ensayo de dureza Rockwell superficial.

Su fundamento es anlogo al de la dureza Rockwell normal con la diferencia de que la carga

inicial es de 3 Kp y la total de 15, 30 45 Kp.

La dureza Rockwell se designa agregando al nmero de dureza las letras HR, el smbolo del penetrador y la carga empleada. Ejemplo: 50 HRC 150. Las cifras de dureza Rockwell de las escalas B y C pueden convertirse en cifras Brinell mediante las ecuaciones:

HR1307300BrinellDureza =

Si 20

ENSAYOS MECNICOS

2.4.3.-Ensayos Dinmicos. Cientficamente se hallan muy por debajo de los estticos, ya que los valores obtenidos

presentan muchos errores y una gran dispersin de los mismos, pero tienen la ventaja de que requieren aparatos muy sencillos, son extraordinariamente rpidos y aplicables en cualquier lugar, lo mismo a piezas grandes que pequeas.

Se distinguen de los estticos en que se mide la energa elstica que es capaz de absorber el material, distinguindose fundamentalmente los de choque y los de retroceso. 2.4.3.1.- Mtodos de choque. En este caso la bola tiene 5 mm. de dimetro y se lanza con un impulso suficiente para que deje una huella permanente de gran tamao.

Existen diversos tipos de aparatos (Baumann, Schwarz y

otros) pero el ms clsico es el de Poldi. Como puede observarse en la figura 18 , el impulso se comunica directamente con la mano. Se coloca entre el yunque y la bola una probeta de comparacin cuya dureza es conocida. Midiendo las impresiones producidas en una y otra, se puede obtener la dureza buscada. Si Hp y H ,son las durezas patrn y problema, respectivamente y siendo Sp y S las superficies de las huellas se tiene:

pp H

SS

H =

Figura 18. Ensayo Poldi

2.4.3.2.- Mtodos de retroceso. Se basan en el hecho de que si se deja caer desde una altura conveniente un pequeo martillo, con una punta redondeada de diamante en un extremo, sobre el material problema la energa

46


de cada ser absorbida en producir huella elstica, por lo que el martillo retroceder, elevndose a una altura menor que la inicial de partida. Esta altura se toma como la medida de la dureza por retroceso.

Estos mtodos se usan para determinaciones con materiales endurecidos que no deben presentar huella permanente, as como en el control de uniformidad en la dureza de grandes superficies o piezas que se han de comparar.

Los diferentes aparatos se distinguen en el peso del martillo, la forma de la punta de

diamante y la altura de cada. Los ms conocidos son el esclermetro Shore y el duroscopio. En el esclermetro Shore, el martillo cae desde una altura ho sobre la pieza y retrocede a la

altura hi. Para facilitar la perpendicularidad en la cada, el martillo se desliza sin rozamiento en el interior de un tubo. El valor hi se define como la dureza Shore. La escala tiene 130 divisiones, trazadas de modo que la altura hi para el acero eutectoide templado valga 100.

En el duroscopio, el martillo cae sobre la pieza como la lenteja de un pndulo, midindose

ngulos en lugar de longitudes. El ngulo inicial es de 70 y el final se toma como valor de dureza.

2.4.4.-Normas de Consulta. Para la determinacin de la dureza Brinell, vase la norma UNE 7017 (determinacin de la dureza Brinell en los aceros de construccin).

Para la determinacin de la dureza Rockwell, vase la norma UNE 7053 (determinacin de la dureza Rockwell en los materiales metlicos). Para la determinacin de la dureza Vckers, vase la norma UNE 7054 (determinacin de la dureza Vckers en los materiales metlicos). Para la determinacin de la dureza Shore, vase la norma UNE 7081 (determinac6n de la dureza Shore en los materiales metlicos). 3.- ACTIVIDADES DE APLICACIN. Se proponen realizar los ejercicios del captulo 2 de Ejercicios de Autoevaluacin. 4.- ACTIVIDADES PRCTICAS.

4.1.- PRCTICA DE ENSAYO DE TRACCIN SOBRE UN ACERO

Tome las medidas de la probeta a ensayar. Con ayuda de un rotulador, marque dos puntos en el tercio central de la probeta y mida la distancia entre los puntos. Site y fije la probeta a las mordazas de la Mquina Universal de Ensayos. Efecte y registre el ensayo de traccin con ayuda de las indicaciones del profesor responsable. Observe la estriccin que sufre la probeta, durante el ensayo. Tome la probeta, acople con cuidado las partes fracturadas y mida de nuevo la distancia entre los puntos y el dimetro de la probeta rota. Calcule el alargamiento a la rotura, estriccin a la rotura, Resistencia a la traccin, Mdulo de Elasticidad, Lmite Elstico (0,2%) y Tensin ltima del material, a la vista del grfico registrado.

47

ENSAYOS MECNICOS

Describa las superficies de fractura e indique si corresponden a una rotura dctil o frgil.

Mantenga una distancia de seguridad sobre las partes mviles de la Mquina de Ensayo. Una vez finalizado el ensayo, tenga cuidado en la manipulacin de la probeta, ya que puede estar muy caliente o incluso puede producir pequeos cortes con las superficies de fractura.

4.2.- PRCTICA DE ENSAYO CHARPY SOBRE UN ACERO

Tome las medidas de la probeta a ensayar. Site y fije la probeta en la zona inferior del pndulo. Recuerde que el pndulo debe de golpear a la probeta por detrs de la entalla en la configuracin del ensayo Charpy. Eleve el pndulo hasta la posicin inicial, situando a continuacin la aguja en la posicin 30Kpm. Retire la palanca que bloquea el pndulo y rompa la probeta.. Frene el pndulo y lea los valores de Energa y ngulo obtenidos en el ensayo. Recoja la probeta y observe las superficies de fractura. Calcule los valores de resiliencia expresando los resultados en unidades del S.I..

Mantenga una distancia de seguridad sobre el pndulo. No se acerque al pndulo hasta que no est totalmente parado.

4.2.- PRCTICA DE DUREZA BRINELL

Cerrando previamente la vlvula de comunicacin de aceite, accionamos la palanca hasta medir en el manmetro una presin de 3000 Kp. Mantenemos esta presin constante durante 30 segundos, abriendo a continuacin la vlvula del circuito para que descienda totalmente la presin . Retiramos la pieza y medimos el dimetro de la huella con la mayor exactitud posible, ya que cualquier error en la medida falseara los resultados. Aplicando la formula, obtendremos el valor de dureza buscado.

El nmero obtenido para el valor de la dureza no tiene significacin propia si no va acompaado de los valores de dimetro del penetrador, carga empleada en el ensayo y duracin de la carga. 5.- BIBLIOGRAFA.

1. William D. Callister, Jr. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales. Ed. Reverte. 1995. Captulo 6.

2. Metals Handbook. Desk Edition. Second Edition ASM International.1998. Pags. 1308-1320. 3. John V.B. Engineering Materials. The MacMillan Press LTD. 1994. Captulo 11. 4. Tensile Testing. ASM International 1992. Captulo 1.

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Unidad 5 Ensayos No Destructivos (E.N.D.) 1.- OBJETIVOS.

Al trmino de esta unidad el alumno deber ser capaz de: + Diferenciar los distintos tipos de Ensayos No Destructivos. + Conocer los principios fsicos bsicos de los Ensayos No Destructivos. + Diferenciar las etapas a seguir en los distintos Ensayos No Destructivos. + Conocer los equipos que se emplean en Ensayos No Destructivos. + Realizar calibraciones con los equipos de Ultrasonidos y Corrientes Inducidas. 2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS.

2.1.- INTRODUCCIN

En los ltimos cuarenta aos, los mtodos de Ensayos No Destructivos han pasado de ser una simple curiosidad de laboratorio, a una herramienta indispensable en la industria, para inspeccin y control de los materiales. Adems, estos mtodos de ensayo permiten una vigilancia de los sistemas a lo largo del servicio, contribuyendo a asegurar su calidad funcional adems de colaborar en la prevencin de accidentes. Tambin cabe citar, entre otros beneficios indirectos, su contribucin al control de procesos de fabricacin. As, por ejemplo si en un tratamiento trmico se obtienen resultados heterogneos en la dureza o se originan grietas, mediante ensayos por induccin electromagntica se puede determinar en qu etapa se produjo esta anomala y en qu materiales, con lo que se podr corregir, inmediatamente, el proceso o realizar la seleccin conveniente del material, con la economa consiguiente. Los E.N.D. pueden clasificarse segn su utilidad tal y como se ilustra en el esquema:

Estructuras Prop. Fsicas

Estudio de Materiales

Discontinuidades Impurezas

Corrosin Fugas

Defectologa

Espesores Recubrimientos

Metrologa

E.N.D.

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ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (E.N.D.)

Por lo tanto en un ensayo no destructivo una vez realizado, el material objeto de estudio debe conservar las mismas propiedades fsico-qumicas que posea antes del ensayo. Estas tcnicas se suelen utilizar cuando el material est desarrollando su funcin por lo que los dispositivos empleados para estos ensayos suelen tener unas caractersticas comunes: ser porttiles, autnomos adems de simplicidad en el manejo.

E.N.D. Deteccin Ventajas Aplicaciones Limitaciones

Ultrasonidos Cambios en Impedancia

Acstica

Materiales de bajo espesor. Puede ser

automatizado

Soldadura Fundiciones

Recubrimientos

Requiere un medio acoplante.

Superficie lisa Lquidos

Penetrantes Grietas,

Porosidades Fcil de utilizar,

bajo coste, sensible a defectos pequeos

Soldadura Cermicas Plsticos

Defectos superficiales. No til en materiales porosos

Corrientes Inducidas

Cambios en conductividad

elctrica

Capacidad de automatizacin

Piezas de AutomocinCaracterizacin de

Materiales

Solamente materiales conductores elctricos

Partculas Magnticas

Campos de Fuga causados por defectos

Coste Moderado. Sensible a defectos

superficiales


Forjas

Materiales ferromagnticos.

Radiografa de Rayos X

Cambios en la Densidad

Gran campo de aplicacin.


Requiere grandes medidas de seguridad.

Inspeccin Visual

Cambios Superficiales

Puede ser automatizado

Sin lmites Tratamiento superficial

Tabla 1. Campo de Aplicacin de los Ensayos No Destructivos.

A continuacin pasaremos a exponer los ensayos que realizaremos en el laboratorio.

2.2.- ENSAYOS DE ULTRASONIDOS.

La inspeccin por Ultrasonidos es un mtodo no destructivo en el cual, ondas mecnicas de alta frecuencia(1-10 MHz) se hacen incidir sobre un material para detectar defectos subsuperficiales, medir espesores y localizar defectos en el interior del material.

2.2.1.-Caractersticas Generales de las Ondas Ultrasnicas. A diferencia de las ondas electromagnticas, las ondas ultrasnicas necesitan un medio para propagarse. Las ondas ultrasnicas, por tanto, son ondas de tipo mecnico y consisten en oscilaciones o vibraciones de partculas moleculares o atmicas alrededor de una posicin de equilibrio. Las ondas ultrasnicas se pueden propagar en medios elsticos, los cuales pueden ser slidos o lquidos, y por lo tanto no pueden propagarse en el vaco. Los ultrasonidos escapan a nuestra percepcin auditiva, ya que sus frecuencias se encuentran a partir de unos 25 KHz.

Figura 1. Espectro de Ondas Mecnicas.

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En la inspeccin por ultrasonidos, las frecuencias ms comunes de trabajo se encuentran entre 1 y 10 MHz. En la tabla adjunta se muestran las distintas frecuencias en diversos materiales.

Rango de Frecuencia Aplicaciones 400 KHz-5 MHz Acero, Aluminio, Latn

200 KHz-2,25 MHz Plsticos 1-10 MHz Forjados

2,25-10 MHz Vdrio-Cermica 1-2,25 MHz Soldadura

Tabla 2. Rango de frecuencia de ultrasonidos utilizadas en distintos materiales.

Cuando las ondas ultrasnicas viajan a travs de un medio, ste opone una resistencia que dificulta la propagacin. Una medida de esta resistencia es la denominada impedancia acstica. Podemos definirla como el producto de la velocidad de propagacin en un medio por la densidad:

Z= V (1)

donde: Z: Impedancia Acstica (gr/(s cm2))

: densidad del medio (gr/cm3) V: Velocidad de propagacin (cm/s)

Cuando las impedancias acsticas de dos materiales que estn en contacto, son iguales o muy similares, no se observa el fenmeno de reflexin. Cuando presentan distintas impedancias acsticas se producen reflexiones en uno de los medios. El porcentaje de ondas reflejadas para el caso de una incidencia normal de un medio 1 a un medio 2, queda expresado en la siguiente ecuacin:

100%21

12 +=

ZZZZOndas (2)

Calcule el % de Ondas Reflejadas que se produce cuando un haz de rayos ultrasnicos se propaga desde el aire a una pieza de acero. Efecte el mismo clculo para el caso de un haz de rayos ultrasnicos que se propaga desde una parafina a una pieza de acero. Utilice los datos que se encuentran en la tabla 3.

2.2.2.- Equipos de Ultrasonidos para inspeccin. Aunque los aparatos de ultrasonidos pueden variar de manera considerable de un fabricante a otro, en general todos los equipos consisten en un palpador, un generador de impulsos y un osciloscopio como se observa en la figura 2:

Figura 2. Equipo de Inspeccin por Ultrasonidos.

La generacin y deteccin de las ondas ultrasnicas para inspeccin est unida a un material transductor. Este material es un cristal piezoelctrico. La piezoelectricidad es electricidad inducida por presin, una propiedad caracterstica de ciertos materiales cristalinos naturales como el cuarzo y otros materiales sintticos como el BaTiO3 y Li2SO4.

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Los cristales piezoelctricos forman parte de los denominados palpadores. Los palpadores se dividen en dos grandes grupos, los denominados monocristales y los bicristales, tal y como podemos observar en la figura 3. Los monocristales actan como emisores y receptores y los bicristales poseen dos conexiones con los cristales piezoelctricos, uno que acta como emisor y otro como receptor.

Figura 3. Palpaldores utilizados en Ensayos por Ultrasonidos.

2.2.3.-Medios Acoplantes.

Las ondas ultrasnicas se transmiten con mucha dificultad en el aire. La diferencia entre la impedancia acstica existente en el aire y en los materiales a ensayar es alta, provocando que todas las ondas emitidas se reflejen en la superficie del material, segn la ecuacin (2). En la tabla adjunta se muestran los valores de impedancia acstica para el caso de distintos materiales.

Medio Densidad (gr/cm3)

Velocidad 105 (cm/s)

Impedancia Acstica (x106)

(g/cm2 s) Aire 0,00129 0,331 0,00004 Agua 1 1,49 0,149

Parafina 0,9 2,2 0,2 Acero al Carbono 7,85 5,94 4,66 Acero Inoxidable 7,9 5,66 4,47

Fundicin 6,95-7,35 3,5-5,6 2,5-4 Latn Naval 8,41 4,43 3,73

Aluminio 2,71 6,35 1,72 PMMA 1,18 2,67 0,32 Nylon 1-1,2 1,8-2,2 0,18-0,27

Tabla 3. Impedancias acsticas de distintos medios.

Los medios acoplantes utilizados normalmente para inspeccin incluyen agua, goma de celulosa, glicerina, grasas de petrleo, silicona, etc. Para elegir el medio acoplante ms adecuado hay que tener en cuenta los siguientes aspectos: 1.- Acabado superficial de la pieza a inspeccionar. 2.-Temperatura de la superficie. 3.- Posibilidad de reacciones qumicas entre el medio acoplante y la pieza. 4.- Limpieza posterior de la pieza una vez finalizada la inspeccin.

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Figura 4. Medio Acoplante.

Es por lo tanto imprescindible utilizar un medio acoplante cuando estemos realizando una inspeccin por ultrasonidos. La no utilizacin de un medio acoplante puede llevar a la imposibilidad de realizar el ensayo adecuadamente.

2.2.4.- Etapas del Ensayo por Ultrasonidos La realizacin de un ensayo por ultrasonidos requiere una serie de etapas que pueden resumirse en las siguientes: A.- Estudio de la pieza problema: geometra, naturaleza, estado superficial. B.- Eleccin del tipo de palpador, frecuencia, superficie de barrido, etc. C.- Aplicacin del medio acoplante ms adecuado. D.- Calibracin del equipo. Es preciso calibrar el equipo, a ser posible con piezas patrn del mismo material a ensayar. E.- Realizacin del ensayo, haciendo un registro de los datos obtenidos, habr que tener en cuenta: Posicin del palpador, aparicin y forma de los ecos.

2.2.4.1.- Calibracin Como operacin previa al proceso de inspeccin por ultrasonidos, es necesario proceder, en primer lugar, a una comprobacin satisfactoria del estado de funcionamiento del equipo. Para ello es preciso estar familiarizado con el equipo y disponer de bloques de calibracin o piezas patrn. 2.2.4.2.- Piezas Patrn para Calibracin. La pieza que se utilice debe ser del mismo material que el que se quiere ensayar o, al menos, similar, as como presentar una configuracin geomtrica que permita las calibraciones en distancia. Entre las piezas de calibracin normalizadas destacan por su utilidad y amplia difusin los del Instituto Internacional de Soldadura, piezas denominadas V-1 y V-2.

Figura 5. Pieza patrn V1 del Instituto Internacional de Soldadura.

2.2.4.3.- Calibracin de Distancias con Palpador Monocristal Normal. Mediante la calibracin es posible hacer corresponder a todo el ancho de la pantalla del equipo una distancia definida. Este dominio de distancia se designa campo de ensayo. Para la calibracin usamos un bloque de calibracin plano-paralelo que tenga un espesor conocido y debe estar hecho en el mismo material que las piezas a verificar. Veamos a continuacin un ejemplo que ilustrar la forma de operar en una calibracin utilizando un palpador monocristal del tipo "normal".

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Se desea calibrar el equipo de ultrasonidos de 0 a 100 mm sobre una pieza de acero. Para ello, disponemos de una pieza patrn V1. Si el campo de ensayo es de 0 a l00mm. quiere decir que una distancia de 0 a 100 mm. en un acero, lo vamos a visualizar sobre una escala de 50 divisiones en la pantalla de nuestro equipo. En otras palabras, una divisin de la escala corresponde a 2 mm de acero. Este valor es el factor de escala K y se define segn la expresin:

K= Campo de Calibracin / n divisiones En nuestro caso

K= (100/50) = 2 (mm / divisin)

El primer pico o eco de fondo que obtenemos del bloque de calibracin de 25 mm viene de una profundidad de 25 mm. Llamaremos distancia sencilla "S", al recorrido sonoro considerando la ida y vuelta del haz ultrasnico. El segundo pico o eco de fondo que obtengamos corresponder con el doble de la distancia sencilla, esto es S2=50mm. Este proceso se repite resultando una secuencia de recorridos sonoros de S3= 75 mm y S4=100 mm, correspondientes al tercer y cuarto pico o eco de fondo. Estos recorridos sonoros se van ahora a asignar a las posiciones en la escala de la pantalla del equipo que en nuestro caso posee 50 divisiones. Despus de esta preparacin matemtica podemos comenzar con el proceso de calibracin real. ETAPA 1.- Con el botn "Nivel de campo" seleccionamos 50mm, lo cual significa que el equipo podr asumir calibraciones comprendidas entre 50 mm y el siguiente valor de campo que en el caso de nuestro equipo es 250 mm. ETAPA 2.- Situamos el palpador sobre la pieza patrn V1, interponiendo un poco de medio acoplante. Visualizaremos los picos-ecos en la pantalla, lo cual requerir incrementar o disminuir la intensidad con ayuda de los botones "Intensidad". ETAPA 3.- Vamos girando alternativamente los botones "Desplazamiento de los Ecos (Z)" y "Espectro (Y)", hasta que situemos los cuatro primeros picos-ecos en las posiciones previamente calculadas, esto es:

Pico Distancia Sencilla Distancia Equivalente Situacin en la Pantalla 1 S1 25 mm 12,5 divisiones 2 S2 50 mm 25 divisiones 3 S3 75 mm 37,5 divisiones 4 S4 100 mm 50 divisiones

A partir del anterior diagrama de calibracin podemos deducir tres condiciones que son importantes para la calibracin: 1. Para la calibracin se requieren al menos dos ecos. 2. En la calibracin tenemos que utilizar el mismo tipo de material (acero, latn, aluminio, etc.) que vayamos a inspeccionar a continuacin. 3. El espesor del bloque de calibracin no debe ser ms grande que el campo de calibracin.

Figura 6. Espectro de Calibracin

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Indique el valor de campo de las calibraciones efectuadas que se presentan en la figura 7:

Figura 7. Espectros de Calibracin.

2.2.4.4.- Medida del Espesor de una pieza. El ensayo por ultrasonidos tiene en la medida de espesores una de sus mayores aplicaciones. Previamente a medir el espesor de una pieza utilizando un palpador monocristal normal, habr que realizar la calibracin adecuada, que tendr que tener un valor de campo por encima del espesor de la pieza a medir. Una vez realizada la calibracin adecuada segn se expuso en la seccin anterior, y calculado el factor de escala K, se seguirn las siguientes etapas. a.- Aplicacin del medio acoplante ms adecuado b.- Situar el palpador sobre la superficie de la pieza a inspeccionar. c.- Lectura de la situacin del pico o eco de fondo. d.- Clculo del espesor = factor de escala (K) x nmero de divisiones del pico.

Veamos a continuacin un ejemplo de medida de un espesor en una pieza.

Se desea medir el espesor de una pieza plano-paralela de acero. En primer lugar, realizaremos una calibracin con un campo de 0-150 mm, para ello utilizaremos una pieza patrn de acero de 50 mm. Tomaremos 3 picos-ecos segn la figura 8:

Pico Distancia Sencilla Distancia Equivalente Situacin en la Pantalla 1 S1 50 mm 16,7 divisiones 2 S2 100 mm 33,3 divisiones 3 S3 150 mm 50 divisiones

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Figura 8 El factor de escala de esta calibracin es K=3 (mm/divisin). A continuacin situamos el palpador sobre la superficie de la pieza, que previamente estar limpia y con medio acoplante, y observamos lo que nos muestra la pantalla del equipo, como se ilustra en la figura: En la pantalla se observa un pico que queda situado a 35 divisiones, realizando el producto de K=3 por el nmero de divisiones, obtendremos que la pieza tiene un espesor de 105 mm.

Se ha efectuado una calibracin en una pieza patrn de acero, con objeto de medir el espesor de una pieza de acero. Segn la figura 9 adjunta, indique el valor del espesor de dicha pieza.

Figura 9

2.2.5.- Medida de la profundidad de un defecto dentro de una pieza. Con la tcnica de ultrasonidos es posible detectar defectos dentro del material que actan como reflectores de las ondas ultrasnicas. El modo de operar no difiere en nada de la medida de un espesor, la diferencia estriba en que adems del pico-eco del espesor de la pieza aparecern tambin los picos-ecos que provienen de los defectos en el interior de la pieza. Veamos un ejemplo En una inspeccin rutinaria, debemos comprobar que el espesor de una pieza es de 86 mm.

Figura 10

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Para realizar esta inspeccin como siempre, debemos realizar una calibracin sobre el equipo. En este caso hemos elegido un valor de calibracin de 0 a 100 mm, utilizando una pieza patrn de 50 mm y obteniendo un factor de escala 2 (mm/divisin) tal y como se presenta en la figura 10. A continuacin, pasamos a medir el espesor de la pieza que debe ser de 86 mm lo que supone que debemos encontrar un pico-eco situado en la divisin 43. La aparicin de otro pico-eco antes del correspondiente al espesor nos indica que en el interior de la pieza existe un defecto y que se encuentra a una profundidad de 60 mm, tal y como se ilustra en la figura 11.

Figura 11. Deteccin de un defecto.

2.3.- ENSAYO POR LQUIDOS PENETRANTES.

Es un mtodo de ensayo no destructivo utilizado para localizar discontinuidades que se encuentran en la superficie de un slido o en un material no poroso. Estos lquidos actan por el principio de capilaridad, pudiendo difundirse por grietas superficiales de muy pequeo tamao (0,1-0,4 micras). Se utiliza extensivamente para inspeccionar materiales frreos, no frreos, productos de fundicin, cermicas, etc. El gran desarrollo de la industria de las aleaciones ligeras durante los aos que precedieron a la Segunda Guerra Mundial dio origen en los EE.UU. a trabajos de investigacin que condujeron, hacia 1942, a la puesta a punto y comercializacin de un proceso por Lquidos Penetrantes fluorescentes sensiblemente igual a los de que hoy da. La inspeccin por Lquidos Penetrantes es muy sencilla de ejecutar, hay pocas limitaciones debidas al material y su geometra, adems de ser un mtodo de bajo coste. El equipo es muy simple y puede ser utilizado en muchas etapas del proceso productivo. No se necesita un entrenamiento especializado para que una persona pueda desarrollar esta tcnica. La mayor limitacin de esta tcnica se encuentra en que slo puede detectar grietas superficiales. Otro factor que puede inhibir la efectividad de este ensayo es la rugosidad del material. Piezas extremadamente porosas pueden producir falsas indicaciones.

2.3.1.-Principios Fsicos. La inspeccin por Lquidos Penetrantes depende principalmente de la habilidad del lquido penetrante para mojar efectivamente la superficie de un slido o material: fluyendo sobre la superficie para formar una pelcula uniforme, continua y migrar dentro de las cavidades que estn abiertas a la superficie. Estos defectos suelen ser muy pequeos y a menudo no son perceptibles en una inspeccin visual. La habilidad para que un lquido fluya sobre una superficie y entre en las cavidades depende principalmente de:

Limpieza de la superficie Configuracin y geometra del defecto Tensin superficial del lquido Habilidad del lquido para mojar la superficie.

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2.3.2- Etapas del ensayo por Lquidos Penetrantes Este apartado se centrar en el desarrollo del ensayo mediante Lquidos Penetrantes que pueden ser eliminados mediante agua. En el esquema se presentan las etapas principales:

Figura 12. Etapas del Ensayo por Lquidos Penetrantes.

Etapa A.- Limpieza y preparacin previas de la superficie La superficie a inspeccionar debe estar exenta de: agua, aceite, grasa, xido, polvo etc. Etapa B.- Aplicacin del Liquido Penetrante Consiste en aplicar el penetrante sobre la superficie del material a ensayar. Habr que esperar un tiempo para que el penetrante pueda alcanzar las discontinuidades. Etapa C.- Eliminacin de la superficie del Lquido Penetrante. Tiene por objeto dejar libre la superficie del material de penetrante, evitando retirar de las discontinuidades el lquido penetrante. Se pueden utilizar distintos lquidos como agua o disolventes orgnicos. Para ello seguiremos las indicaciones del fabricante. Etapa D.- Aplicacin del Revelador. El revelador es un polvo muy fino, normalmente de color blanco, que se puede aplicar por va hmeda, o directamente en seco. Acta como "extractor" del penetrante, mostrando las posibles discontinuidades sobre la pieza.

Etapa E.- Inspeccin Visual. Una vez transcurrido un tiempo prudencial desde la aplicacin del revelador, el operador puede proceder a examinar el material ensayado para buscar posibles indicaciones producidas.

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2.4.- ENSAYO POR PARTCULAS MAGNTICAS.

El Ensayo por Partculas Magnticas se basa en el empleo de campos magnticos y de partculas magnticas para la deteccin de grietas superficiales en metales ferromagnticos.

Las principales ventajas de esta tcnica, son que permite localizar pequeas grietas superficiales. Las limitaciones se encuentran en que el material debe ser ferromagntico y la direccin del campo magntico que se aplica debe ser perpendicular al defecto o discontinuidad, para ser detectado. Otras limitaciones se encuentran en materiales con recubrimientos orgnicos (pinturas ) o recubrimientos no ferromagnticos.

2.4.1.- Fundamento del Ensayo por Partculas Magnticas. El ensayo por partculas magnticas permite detectar discontinuidades e impurezas superficiales, tales como inclusiones no metlicas en materiales ferromagnticos. El fenmeno fsico en el que se fundamenta este ensayo es el siguiente:

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