Tema 9 – Ensayos destructivos. Finalidad. Fundamentación. Técnicas operativas e interpretación de los resultados de los distintos ensayos. Tipos: tracción, comprensión, dureza, flexión, resiliencia y otros. Extracción y preparación de probetas.

INDICE.

1. INTRODUCCION A LOS ENSAYOS DESTRUCTIVOS

2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS, TIPOS Y APLICACIONES.

3. TÉCNICAS OPERATIVAS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS.

3.1 Ensayos de dureza

3.1.1 Ensayo Brinell

3.1.2 Ensayo Vickers

3.1.3 Ensayo Rockwell

3.1.4 Ensayo Shore

3.2 Ensayo de tracción

3.3 Ensayo de compresión

3.4 Ensayos de choque: Resiliencia

3.4.1 Péndulo Charpy

3.5 Ensayo de Fatiga

3.6 Ensayos Tecnológicos

4. EXTRACCIÓN Y PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS.

5. CONCLUSIÓN-RESUMEN

1. INTRODUCCIÓN

La elección del material más adecuado para la consecución de una pieza o elemento metálico, exige el conocimiento previo de sus propiedades técnicas: características físicas y químicas, aptitud para la conformación por deformación, resistencia mecánica, maquinabilidad…etc. ¿Cómo podemos conocer las propiedades de un material? ¿Cómo podemos saber que un determinado tratamiento térmico, por ejemplo, ha sido efectivo?

Todos estos objetivos se consiguen mediante el uso de ensayos de tipo destructivo y no destructivo. En este tema nos centraremos en aquellos que se realizan sobre probetas como muestra del material a ensayar, es decir en ningún caso la pieza a valorar se encuentra en servicio, sino que es una muestra del mismo material el que se ensaya.

2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS: TIPOS Y FINALIDAD.

Los ensayos destructivos que se realizan sobre los materiales pueden ser de tipo: fisico-químico, metalográficos, mecánicos o eléctricos. En este tema nos centraremos en los de tipo mecánico: Dureza, Tracción, Resiliencia, Compresión…, los cuales nos proporcionarán de un modo certero propiedades mecánicas fundamentales de los materiales como su resistencia mecánica, dureza, elasticidad, tenacidad, ductilidad…etc.

Las finalidades de estos ensayos serán diferentes dependiendo de la fase de fabricación de la pieza, así podemos decir que se utilizan para:

1) Determinar las propiedades de los materiales y fijar sus posibilidades de utilización.

2) Efectuar controles de calidad durante los procesos de fabricación.

3) Determinar tratamientos, composiciones o tipos de materiales más apropiados para un determinado uso.

4) Para establecer causas de fracasos en servicios y determinar si unos materiales pueden ser reemplazados por otros.

5) Para el estudio de nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación.

3. TÉCNICAS OPERATIVAS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

3.1 Ensayos de dureza

En primer lugar hemos de recordar que no se puede medir la dureza utilizando una unidad absoluta, las cifras que se manejan son siempre empíricas y se refieren a un medio particular de medida, aunque los resultados se relacionan entre sí.

Dejando a un lado la dureza mineralógica y la dureza pendular, aquí nos centraremos en la dureza como la resistencia que oponen los materiales a dejarse penetrar por otros de mayor dureza, es decir, lo que se conoce como dureza estática o cohesión.

Los métodos más utilizados son: Brinell, Rockwell ,Vickers y Shore, donde la diferencia principal entre ellos radica en el tipo de penetrador usado.

3.1.1 Ensayo Brinell

Data del 1900. Se caracteriza porque la impresión se produce por una bola de acero extraduro o de carburo de W. Si con una carga P se presiona la esfera de acero de diámetro D sobre una superficie metálica cuya dureza se pretende medir, dejará impresionada una huella en forma de casquete esférico de diámetro d y superficie S. El número de dureza Brinell vendrá definido por cociente entre la carga P (Kg.) y la superficie S (mm2).

Para calcular la superficie del casquete, será necesario mediar el diámetro de la huella d mediante medios adecuados. La superficie será clip_image004

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Brinell recomendó para el ensayo, bolas de acero de 10 mm y cargas de 3000 kg para los aceros, 1000 Kg para las aleaciones de Cu, 500 Kg para los aluminios y 250 Kg para plomos y estaños.

Con estas cargas sólo se obtienen resultados correctos en materiales de gran espesor, pero no cuando se aplican a espesores menores de 6 mm.

Para esquivar este inconveniente, en la actualidad se utilizan cargas menores y bolas de diámetros diferentes. Para que los resultados sean comparables las huellas tienen que ser geométricamente comparables. Lo se traduce en que

clip_image008 Siendo K la llamada constante de ensayo propia de cada material.

Respecto a los tiempos de aplicación de las cargas, varían entre 30´´ para los aceros a 3´ para los materiales más blandos. Todos estos parámetros son especificados en la norma UNE 7-422-85 donde se especifica que la dureza B se expresa como:

10 HB 5 250 30

10 –à dureza Brinell.

5-à diámetro de la bola(mm).

250-à fuerza (Kp).

30-àTiempo de ensayo (segundos)

Cabe destacar que a partir del ensayo Brinell se puede deducir una relación entre la dureza y la resistencia a tracción del material a partir de la fórmula:

clip_image010 Donde las constantes m y n dependen del material.

3.1.2 Ensayo Vickers

Aparece en 1925 y su razón de ser estriba en que el método Brinell cuando trataba de medir aceros de altas durezas arrojaba resultados erróneos y pocos convincentes debido a la deformación del penetrador.

Aquí, se sustituye la bolita de acero por una pirámide cuadrangular de diamante con sus caras opuestas formando ángulo de 136º. Este ángulo fue elegido para que las cifras Vickers coincidiesen con las del método Brinell, si bien esto sólo ocurre hasta cifras alrededor de 300 pues a partir de aquí empieza la deformación de la bola de acero.

Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 Kg, aunque lo normal es emplear 30 Kg. Al igual que el método Brinell la dureza se expresa como el cociente entre la carga (Kp) y la superficie de la huella (en mm2).

clip_image012 clip_image014.

De la geometría de la pirámide se deduce que la dureza Vickers será

clip_image016 siendo clip_image018 la semisuma de las dos diagonales

Para expresar la duraza Vickers se escribe el número obtenido seguido de HV y de la carga aplicada. (UNE 7-423-84)

3.1.3 Ensayo Rockwell

Aparece el mismo año que el método Vickers y buscando el mismo propósito, complementar al ensayo Brinell para metales de gran dureza. Si bien no es tan preciso como los métodos anteriores, les gana en rapidez.

En el ensayo Rockwell se mide la profundidad de la huella permanente producida al actuar una determinada carga sobre un penetrador y sobre la superficie a valorar.

Dependiendo de la dureza del material a testear, el penetrador será:

Þ Penetrador cónico. Para piezas materiales duros, se emplea un cono de diamante tallado con ángulo 120, con la punta ligeramente esférica con un radio 1/64”. Es denominado ensayo Rockwell-C.

Þ Penetrador esférico. Para materiales blandos se utiliza una bola de acero templado de 1/16”, denominándose en este caso dureza Rockwell-B

En el ensayo se empieza por colocar una precarga de 10 Kg que provocará una huella de profundidad h0. A continuación se hace actuar la carga adicional (de 140 Kg en el caso de utilizar el cono como penetrador y 90 Kg si se utiliza la esfera) con lo que la profundidad de la huella alcanzará ahora el valor h1.

Se retira la carga adicional y el penetrador retrocede debido a la recuperación elástica del material, quedando a una profundidad permanente h. La penetración correspondiente a la deformación permanente será por tanto clip_image020.

clip_image022Una unidad de dureza Rockwell corresponde a 2 μm de profundidad, los cuales son medidos con un reloj comparador que incorporan los aparatos utilizados (durómetros). La dureza Rockwell-B se obtendrá como HRB=130-t mientras que la Rockwell-C será HRC=100-t.

Los durómetros marcan directamente las variaciones en escalas diferentes al retirar la carga adicional.

Las ventajas más notables del ensayo Rockwell con respecto a los anteriores son:

1) Es de aplicación universal, empleándose tanto para materiales blandos como para duros.

2) Es de lectura directa, lo que evita el uso de microscopios o reglas transparentes.

3) La operación es muy rápida.

4) Se relaciona muy fácilmente con el ensayo Brinell por medio de tablas.

3.1.4 Ensayo Shore

A diferencia de los anteriores, se considera un ensayo dinámico, pues en él, un cuerpo duro (martillo) se deja caer desde una cierta altura h0 sobre la pieza a valorar, retrocediendo tras el choque a una altura h1.

Al valor de h1 se le conoce como dureza Shore: a mayor altura alcanzada mayor dureza. Se utiliza para materiales blandos como plásticos, cauchos…etc.

3.2 Ensayo de Tracción

Consiste en someter una probeta normalizada a un sistema de fuerzas de tracción en la dirección de su eje longitudinal. Para ello las máquinas utilizadas (hidráulicas generalmente) utilizan dos mordazas que traccionan las probetas con una fuerza progresiva que provocará su alargamiento, la reducción de su sección y finalmente su rotura. .

Los resultados del ensayo son estudiados en los diagramas de tracción; en ellos se representa en el eje de ordenadas la tensión normal clip_image024 (donde S0 es la sección inicial) en función de los alargamientos unitarios producidos clip_image026.

De los diagramas obtenidos podemos diferenciar dos zonas:

1) Una primera zona donde los alargamientos y reducciones de sección se reparten uniformemente por toda la probeta. A su vez aquí se pueden distinguir dos periodos:

a. Un primer periodo de alargamientos elásticos. (Zona OE) En él los alargamientos son muy pequeños y proporcionales a los esfuerzos. Cuando el esfuerzo cesa, la probeta vuelve a recobrar su longitud primitiva; el material actúa como un muelle cuya constante de proporcionalidad K es el llamado Módulo elástico o de Young à clip_image028 propio de cada material. Cuanto más rígido es el material mayor será su módulo elástico.

El punto final de este periodo elástico es lo que se conoce como Límite de Elasticidad teórico (clip_image030). En los ensayos realizados en la industria, de forma práctica se determina como el punto en que la deformación instantánea durante el ensayo excede a la que corresponde a la ley de Hooke en un 0.2%. Es lo que se conoce como Límite práctico de Elasticidad.

b. Un segundo periodo de alargamientos permanentes.(zona ES). En este segundo periodo, el alargamiento total está formado por la suma de dos alargamientos: el alargamiento elástico temporal y el alargamiento plástico o permanente, que subsiste cuando cesa la carga.

En ciertos materiales como el acero existe una zona de difícil localización en que el alargamiento crece rápidamente sin que haya un aumento sensible de la carga. El punto donde comienza dicho fenómeno se conoce como el límite de fluencia. (clip_image032).

clip_image033 clip_image034

2) Cuando la carga alcanza cierto valor (tensión de rotura clip_image036), se produce en la zona de la probeta una reducción de la sección (estricción) a partir de la cual el alargamiento se localiza exclusivamente en esa región, llegándose finalmente a la rotura de la probeta.

Por otra parte el alargamiento señala el aumento total de longitud. Suele expresarse en % con respecto a la longitud inicial entre puntos. De igual manera la estricción expresa el porcentaje de reducción de sección en la zona de rotura con respecto a la S0. Cuanto mayor sean el alargamiento y la estricción mayores serán la ductilidad y plasticidad del material.

3.3 Ensayo de compresión

Este no es un ensayo común en la industria mecánica y sólo se realiza a materiales que vayan a trabajar exclusivamente a compresión como hormigones o fundiciones.

De forma análoga al ensayo de tracción y en las mismas máquinas las probetas serán sometidas esfuerzos de compresión según su eje provocando ahora su acortamiento y el ensanchamiento de su sección (abarrilamiento).

De igual manera se obtienen aquí diagramas esfuerzo-deformación donde también existe para los metales una zona elástica y otra plástica.

3.4 Ensayos de Choque: Resiliencia

A través de estos ensayos dinámicos podemos hallar una característica tan importante como es la Resiliencia. La Resiliencia no refleja el valor de una propiedad de los metales más que en unas determinadas condiciones, valora de forma muy aproximada su tenacidad (capacidad de resistencia al choque).

La máquina más utilizada en Europa para el ensayo de resiliencia es el péndulo Charpy.

3.4.1 El péndulo Charpy.

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Este aparato está constituido por dos montantes verticales unidos en su parte inferior a una base donde se sitúa una probeta con una entalla para facilitar su rotura. Los montantes están unidos en su parte superior por un eje donde rota un martillo de grandes dimensiones. El martillo se deja caer desde una altura h, rompiendo en su caída la probeta. Después de romperla sigue su camino alcanzado una cierta altura h´.

En el choque la probeta absorbe parte de la energía del péndulo, siendo esta clip_image040, donde P es el peso del martillo.

Cuanto mayor sea la altura que alcance el péndulo tras la rotura más frágil (menos tenaz) será el material, es decir, menor resiliencia poseerá.

El valor empírico de esta se halla dividiendo la energía absorbida entre la sección en la zona de la rotura (J/cm2).

3.4 Ensayos de Fatiga

Con frecuencia es necesario realizar los ensayos de fatiga como ampliación de los ensayos estáticos de tracción y los dinámicos de resiliencia para determinar la posible aplicación de los materiales, principalmente cuando las piezas trabajan bajo la acción de esfuerzos intermitentes.

Los ensayos de fatiga determinan la carga máxima que puede resistir un material durante un número indefinido de ciclos sin romperse.

Los más comunes de este tipo son:

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§ Flexión rotativa

§ Flexión plana

§ Torsión

Según la clase de ensayo a realizar se usarán distintos tipos de máquinas específicas y probetas.

3.5 Ensayos Tecnológicos

Este grupo de ensayos se diferencia de todos los anteriores en que con ellos no se pretenden obtener valores cuantitativos en cálculos numéricos.

Los ensayos tecnológicos estudian el comportamiento del material ante el fin específico al que se destina. Entre ellos podemos destacar el ensayo de embutición, de fractura, de chispa, de plegado, de doble plegado, de recuperación elástica…etc.

4. CARACTERÍSTICAS DE PROBETAS

El lugar de donde se extrae la muestra y los métodos de extracción ejercen una marcada influencia sobre los resultados obtenidos. De forma general bastará decir que la probeta debe ser una muestra fiel del grueso del material.

A su vez las características dimensionales y de acabado de las probetas también van a marcar en la mayoría de los ensayos los resultados obtenidos, por lo que se utilizan probetas normalizadas en todos los ensayos.

Las características de cada probeta dependerán de cada ensayo, así tendremos:

Ensayo Brinell. La zona superficial donde se impresiona la bola ha de estar limpia y exenta de defectos. El espesor e, de la probeta no puede ser menor a 10 veces la flecha del casquete de la huella. El centro de la huella debe distar del borde de la probeta más de dos veces el diámetro de la huella d.

Ensayo Vickers. Aquí la superficie de la probeta requiere que además de limpiada, sea pulida concienzudamente y descarburada. Este paso es de suma importancia para la veracidad de los resultados.

Ensayo Rockwell. La preparación de la probeta para este ensayo no exige un pulido tan perfecto como en el caso anterior.

Ensayo de tracción. Las probetas que se utilizan para este ensayo constan de un cuerpo central, cuyas dimensiones sirven de base para las medidas, y dos cabezas laterales, de mayor sección que la región central, donde se sujetan las mordazas.

La sección puede ser circular, cuadrada o rectangular. En general el parámetro de referencia es el diámetro d0, si es circular o el diámetro equivalente a la sección S0 si no lo es clip_image044

Las probetas han de tener dimensiones determinadas siendo necesario que las de distinto tamaño sean geométricamente semejantes (Ley de Semejanza, de Barba), para que bajo tensiones iguales las deformaciones sean proporcionales.

 
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En España la probeta más utilizada tiene Ø= 13.8 mm y 100 mm de distancia entre puntos. Su ley de semejanza es

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El acabado final de la pieza se hará por rectificado hasta eliminar todas las marcas de mecanizado que puedan afectar al ensayo.

Ensayo Charpy. La probeta más habitual tiene forma rectangular de dimensiones 10 mm x 10 mm x 50 mm.

En cuanto a la entalla, la de mayor uso en España es la Mesnager, de 2 mm de profundidad y 2 mm de anchura con el fondo redondeado con 1 mm de radio.

5. CONCLUSIÓN- RESUMEN

En este tema se ha explicado la necesidad de realizar ensayos con probetas para conocer las propiedades de los materiales durante los procesos de diseño y fabricación. Por su importancia en las propiedades mecánicas nos hemos centrado más profundamente en los ensayos de dureza, tracción y resiliencia, si bien, cuando busquemos otras aptitudes del material será necesario realizar ensayos más específicos.

También hemos comprobado la importancia de desarrollar los ensayos siguiendo los procedimientos adecuados y con las probetas normalizadas para cada tipo de ensayo.

Publicado: septiembre 3, 2015 por Santiago

Etiquetas: tema 9 fabricación mecánica