ENSAYOS DESTRUCTIVOS METALÚRGICOS Primera parte INTRODUCCIÓN A la hora de trabajar un material debemos de conocer sus propiedades mecánicas, y saber que estas propiedades mecánicas variarán en función de la velocidad de deformación y de la temperatura a la que se encuentre el cuerpo a ensayar. Los ensayos utilizados para medir estas propiedades mecánicas son los ensayos destructivos de propiedades mecánicas, que determinan las características mecánicas de los materiales en condiciones de esfuerzo y deformación de las piezas o elementos que estarán sometidos durante su funcionamiento real. Un ensayo destructivo es aquel que deteriora la pieza que inspecciona, pero dependiendo del tipo de ensayo, la pieza experimentara desde una leve marca, a una deformación permanente o incluso su rotura parcial o total. Las propiedades mecánicas las definiremos como la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. Las principales propiedades son: dureza, tenacidad, fragilidad, cohesión, elasticidad, plasticidad, resiliencia y fatiga. Dureza es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros. Tenacidad es la resistencia que tiene un cuerpo a la rotura. 1 Fragilidad es la propiedad contraria a la tenacidad, la facilidad de romperse un cuerpo. Cohesión es la resistencia que oponen los átomos de los materiales a separarse entre sí. Elasticidad es la propiedad que tiene un cuerpo de ser deformado por fuerzas exteriores, y al cesar dichas fuerzas, éste recobra su forma original. Plasticidad es la capacidad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura (ductilidad y maleabilidad). Resiliencia es la energía que absorbe una probeta por unidad de sección, antes de romperse. Fatiga es la capacidad que tiene un cuerpo de resistir esfuerzos repetitivos y variables en magnitud y sentido. Para el análisis de las propiedades mecánicas de los materiales podemos utilizar tres tipos de cargas diferentes: estáticas, dinámicas o cíclicas. Carga estática: es aquella que es invariable o su magnitud crece de forma lenta (un coche encima de un puente, etc.). Carga dinámica: es aquella que actúa de forma inmediata o aumenta su magnitud de forma rápida (impactos, golpes, etc.). Carga cíclica o alternada: es aquella que cambia de dirección o magnitud (o ambas) de forma cíclica o alternada (cigüeñal, amortiguadores, etc.). Los ensayos destructivos en la soldadura se vienen utilizando normalmente para: 1.- Efectuar un control de calidad durante el proceso de fabricación. 2.- Demostrar que este cumple con la normativa vigente y/o estándares sectoriales que le son aplicables. 3.- Determinar el tipo de material, tratamiento o composición más apropiado. 4.- Contrastar los modelos de simulación utilizados para el diseño de dicho producto. 5.- Investigar nuevos procesos de fabricación. 6.- Estudiar nuevos tipos de materiales. 7.- Resolver problemas o incidencias aparecidas durante el uso de los productos y no previstas durante el diseño del mismo. 8.- Determinar las propiedades mecánicas y de conformación de los materiales y fijar su utilización. 9.- Conocer experimentalmente las características técnicas del producto más allá de las incertidumbres obtenidas mediante los procesos de diseño habituales. Las ventajas más destacadas que tienen los ensayos destructivos son: 1.- Reproducir condiciones de uso de productos con el objeto de la resolver de problemas de funcionamiento de los que se desconoce su origen. 2.- Calibración de los modelos de comportamiento utilizados para simulación de componentes y desarrollo de producto. 2 3.- Obtención de información detallada acerca del comportamiento estructural de un elemento o producto y extracción de conclusiones de sus factores críticos. Dentro de los ensayos destructivos de propiedades mecánicas podemos diferenciar: los ensayos destructivos estáticos, ensayos destructivos dinámicos y los ensayos tecnológicos. Los ensayos destructivos estáticos tienen la carga estática o progresiva. Los ensayos destructivos dinámicos su carga no es ni estática ni progresiva Los ensayos tecnológicos se utilizan para comprobar si un material es útil o no para una aplicación en concreto, cuando por medio de los ensayos científicos no es posible realizar estas comprobaciones o resultan demasiado caras. 3 Los ensayos destructivos mecánicos más usados en la soldadura se dividen en: DUREZA TRACCIÓN COMPRESIÓN ESTÁTICOS CIZALLADURA FLEXIÓN PANDEO TORSIÓN DESGASTE ENSAYOS DINÁMICOS FATIGA DESTRUCTIVOS METALÚRGICOS RESILIENCIA SOLDABILIDAD FORJABILIDAD CHISPA EMBUTICIÓN TECNOLÓGICOS DOBLADO O PLEGADO CONFORMADO TEMPLABILIDAD MAQUINABILIDAD 4 ENSAYO DE DUREZA La dureza se define como la resistencia que opone un material a ser penetrado por un cuerpo más duro, y esta micropenetración se realiza mediante una punta. El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material. Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen por la forma de la herramienta empleada (penetrador o hendidor), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma, hay diferentes formas que varían en función de los resultados que queramos conseguir, podemos diferenciar los siguientes métodos: 1. Por la reacción elástica de los cuerpos que se ensayan al dejar caer sobre dicho cuerpo un metal duro. 2. Por la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados por otros más duros. 3. Por la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse penetrar por otros más duros. Los ensayos de dureza más utilizados son: • • • • • • • • Ensayo Martens. Ensayo Shore. Ensayo Mohs. Ensayo Brinell. Ensayo Vickers. Ensayo Rockwell. Ensayo Poldi. Ensayo Knoop. Ensayo Martens El ensayo Martens se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide a en micras y la dureza Martens viene dada por: Ensayo Shore El ensayo Shore se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un esclerómetro o escleroscopio, el aparato se gradúa dividiendo en 100 partes la altura media del rebote en una pieza de 7 gramos de acero duro templado y prolongando la escala en 40 divisiones más, iguales a las anteriores, para poder realizar medidas en materiales extraduros. La ventaja del esclerómetro o escleroscopio de Shore es que no produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado, por lo que se utiliza para medir la dureza superficial de piezas terminadas, como cilindros de laminación, para mapas de dureza de una misma pieza, piezas de pequeño tamaño pero siempre del mismo material, etc. La superficie a ensayar ha de estar totalmente plana, perpendicular, limpia y pulida, siendo recomendado hacer tres ensayos y cada vez en sitios diferentes, debido a el endurecimiento superficial producido por el choque. 5 Se mide la dureza por el método Shore en función de la altura que alcanza en el rebote un cuerpo al caer de una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. El aparato se fija a la pieza que se va a ensayar con un pedestal que lleva adecuado para este fin. Se aspira el martillo haciendo el vacío con una pera, y una vez en la parte más alta, se deja caer. Al rebotar el martillo queda retenido en su posición más alta, para hacer cómodamente la lectura. esclerómetro o escleroscopio esquema de esclerómetro o escleroscopio Ensayo Mohs El ensayo de Mohs se basa en la capacidad que tiene una sustancia sólida para resistir una deformación o la abrasión de su superficie. En mineralogía, la dureza se define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una superficie blanda se raya con más facilidad que una dura, de esta forma un mineral duro, como el diamante, rayará uno blando, como el acero, mientras que la situación inversa nunca se producirá. La dureza de un mineral determina en gran medida su durabilidad. La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la escala de dureza de Mohs, nombre del mineralogista alemán Friedrich Mohs que la ideó. Está formada por diez minerales comunes y están clasificados en orden decreciente de dureza recibiendo un índice: talco 1, yeso 2, calcita 3, fluorita 4, apatito 5, ortosa (feldespato) 6, cuarzo 7, topacio 8, corindón 9 y diamante 10. Industrialmente se ha conseguido alcanzar el nivel 11 de dureza, con el diamante negro y el borazón. MINERAL DUREZA Diamante 10 Corindón 9 Topacio 8 Cuarzo 7 REFERENCIAS Raya todos los materiales comunes (diamante industrial, disco de diamante, etc.) Discos de lija de corindón, corundum (óxido de aluminio, carburo de tungsteno, etc.) Papel de lija de 7 a 9 El acero de una lima, 6,5 , arena de sílice de 6 a 7, vidrio sin plomo 7 Ortosa (Feldespato) Apatito 6 El cristal, 5,5 , piedra pómez, 5 El acero de una navaja Fluorita 4 El cristal de una ventana Calcita 3 Se raya con una moneda de cobre Yeso 2 Talco 1 Se raya con una uña Se raya con una uña 6 La dureza de una muestra se obtiene determinando qué mineral de la escala de Mohs lo raya. Cada número puede rayar todos los que tiene listados debajo. Por ejemplo, la galena, que tiene una dureza de 2,5, puede rayar el yeso y es rayado por la calcita. El granito ofrece variedades desde el 5 hasta el 8 y las calizas 3 al 4. Los escalones no tienen el mismo valor, por ejemplo la diferencia entre durezas 9 y 10 es mucho mayor que entre las durezas 1 y 2. El diamante es 140 veces más fuerte que el corundum. Se ha de tener cuidado con experimentar sobre una superficie fresca, ya que las partes alteradas son más blandas y confirmar la experiencia en 2 sentidos, con el mineral A, rayar el B y viceversa. Ensayo Brinell El ensayo Brinell HB consiste en una prensa mediante la cual aplica una presión (P) correspondiente para comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido. Después, por medio de una regla graduada o un microscopio provisto también de un retículo graduado, se mide el diámetro de la huella que la bola ha dejado en el material y mediante la fórmula o la tabla, se halla el número Brinell. Si la huella resulta ovalada, se toma la medida de los diámetros extremos, teniendo mucho cuidado al realizar el ensayo: 1. Que la superficie de la pieza esté limpia, sea perfectamente plana, normal al eje de aplicación de la carga y lo más homogénea posible. 2. Que el espesor de la pieza sea, por lo menos, doble del diámetro de la huella. 3. Que la distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el diámetro de la huella. La bola que se utiliza es de aproximadamente 10 milímetros de diámetro. La bola es forzada a penetrar el material que está siendo probado durante un tiempo determinado de 15 segundos, y después se retira la presión de la bola para medir la huella (S). Si el material es muy duro, la bola podrá ser de carburo de tungsteno, mientras que una bola de acero de fricción es suficiente para las sustancias más suaves. La cantidad de presión también varía en función del material, pero una cantidad estándar de presión para las sustancias más duras es 3000 kilogramos (6614 libras). No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 en aceros templados, porque se deformaría la bola. La fórmula se divide la fuerza utilizada por la superficie de la huella. D = diámetro de la bola d = diámetro de la huella 7 El valor de la carga P viene dado por: • • K = constante de ensayo El tiempo de ensayo es T = de 10 a 15 segundos según normas UNE. Los valores de K para algunos materiales son: • • • • Aceros y elementos siderúrgicos: K=30. Cobres, Bronces, Latones: K=10. Aluminio y aleaciones: K=5. Materiales blandos (estaño Sn, plomo Pb): K=2,5. Al medir la dureza Brinell de un material, es proporcional a la lista de las condiciones de la prueba, y se utilizan medidas métricas. La lista comienza con el número de dureza Brinell, sigue con el tipo de ensayo, seguida en el diámetro de la bola, la cantidad de fuerza aplicada, y la cantidad de tiempo. XXX HB (D/P/t) El pino es una madera muy blanda, se presentaría una lista como esta: 1,6 HB 10/100/30. Esto significa que la dureza Brinell de pino es de 1,6 cuando se impresionó con una bola de acero templado que es 10 milímetros (4 /10 de pulgada) de diámetro con un peso de 100 kilogramos (220 libras) durante 30 segundos. DUREZA BRINELL DE ALGUNOS MATERIALES Acero de herramientas templado 500 Acero dulce (0.80% de carbono) 210 Acero dulce (0.10% de carbono) Bronce Latón 110 100 50 Aluminio 25 a 30 8 Ensayo Vickers El ensayo Vickers HV es como el ensayo Brinell, con la diferencia que en el ensayo Vickers el cuerpo penetrador tiene forma de pirámide cuadrangular de diamante, cuyo ángulo en el vértice es de 136°. Es un método muy difundido, ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. Se basa en el principio de calcular el valor de dureza relacionando la fuerza de aplicación sobre la superficie de la impresión en el material y su campo de aplicación es de muestras medianas. El equipo consiste en una máquina que soporta la probeta y permite un contacto gradual y suave entre ésta y el penetrador, bajo una carga predeterminada (más ligera que la utilizada en el ensayo Brinell) y que se aplica durante un periodo de tiempo dado. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). El diseño de la máquina debe ser tal que no tenga balanceos o movimientos laterales de la probeta o del penetrador, mientras se aplica o retira la carga, se utiliza un microscopio de medición que generalmente va montado en la máquina. El penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P. Ésta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la diagonal d de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra. Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers, que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de la impresión. Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella. La huella vista desde arriba es un cuadrado y se calcula partiendo de la fuerza en Newton N y de la diagonal en mm2 de la huella de la pirámide según la fórmula: P: carga aplicada en N. d: diagonal media de la huella en mm. La diagonal d es el valor medio de las diagonales de la huella d1 y d2. 9 Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell). Este procedimiento es apropiado para aceros nitrurados y cementados en su capa externa, piezas de paredes delgadas de acero, metales no férreos, materiales templados o muy endurecidos, piezas delgadas con espesores mínimos hasta de 0,2 mm, etc. y puede usarse en superficies no planas. XXX HV YY Por ejemplo: 440 HV 30, donde 440 es el número de dureza, HV da la escala de dureza (Vickers) y 30 indica que la carga utilizada en kg. Sus unidades son: Kp/mm2 Kp DUREZA VICKERS DE ALGUNOS MATERIALES MATERIAL VALOR Acero inoxidable 316L 140HV30 Acero inoxidable 347L 180HV30 Acero al carbono 55-120HV5 Hierro (mineral) 30-80HV5 Ensayo Rockwell El ensayo Rockwell HR se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, pero en lugar de determinar la dureza del material en función de la superficie de la huella que deja el cuerpo penetrante, se determina en función de la profundidad de ésta huella. El número de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción de un penetrador bajo una carga elástica dada. La diferencia de este ensayo es que los penetradores y las cargas son menores, de ahí que la huella resultante sea menor y menos profunda. Consiste en una máquina especialmente diseñada que aplica la carga a través de un sistema de pesas y palancas. Los cuerpos penetrantes son: un diamante en forma de cono de 120° = b 1°, con la punta redondeada, con radio de 0,2 ± 0,01 mm, y bolas acero templado de diferentes diámetros (1/8" y 1/16", y las menos empleadas 1/2" y 1/4"). El valor de la dureza se lee directamente sin necesidad de cálculos, en un indicador de caratula con dos graduaciones, una escala con números negros (con 100 divisiones), para las mediciones con punta de diamante o también llamado penetrador Brale y otra escala con números rojos (con 130 divisiones), para las mediciones realizadas con bolas. La medición obtenida es un número arbitrario que está inversamente relacionado con la profundidad de la huella. En total existen veintiuna escalas para veintiuna combinaciones de penetradores y cargas. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg., para materiales gruesos, y de 15, 30 y 45 Kg., para materiales delgados. Un factor muy importante es elegir bien el tipo y tamaño de penetrador, y la carga que se le aplique a la probeta, en función de la escala Rockwell que vayamos a utilizar. Es un método muy rápido y preciso, pudiendo realizar el ensayo operarios no especializados. Además, las huellas son más pequeñas y es aplicable para materiales que posean durezas que rebasen método Brinell. Permite medir durezas en aceros templados. Tiene el inconveniente de que si el material no asienta perfectamente sobre la base, las medidas resultan falseadas. Con respecto a la forma de las piezas, si son cilíndricas, de diámetro inferior a 30 mm, debe introducirse un factor de corrección. El espesor mínimo que deben tener las piezas o probetas para que no resulte falseada la lectura por deformación, es diez veces la penetración del cono o de la bola. 10 Las cargas se aplican en dos tiempos. Primero se aplica una carga de 10 Kg o 3 Kp, poniendo a continuación el indicador que mide la penetración a cero. Después de completa la carga, hasta llegar a la carga total del ensayo y se mide la dureza. Se determina deduciendo del número 100, si se ensaya con punta de diamante, y del 130 si se ensaya con bola, las unidades de penetración permanente medidas en 0,002 de milímetro. Esto se hace para que a los materiales más duros correspondan más unidades de dureza que a los blandos, y ocurriría lo contrario si la dureza se diese por las unidades de penetración, a mayor penetración, más unidades, el material sería más blando. Por ejemplo: si la carga es de 100 Kg, se deberá poner 90 Kg más de los 10 de aproximación, y se quita después la carga adicional (los 90 Kg). La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que: P= Po+P1 Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales. ensayo Rockwell con cono ensayo Rockwell con bola La denominación de los ensayos de Rockwell se hace por las iniciales HR, seguidas de una letra minúscula que define la escala. Por ejemplo, 60 Rockwell de la escala c se debe anotar 60 HRc. n HR x Dónde: n es la carga aplicada en kg, HR es el identificador del ensayo Rockwell, la letra que va seguida de HR y es la letra correspondiente a la escala usada. Por ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala b sería 60 HR. Las cargas vienen dadas por el tipo de dureza Rockwell a realizar (en Kg.). Los tipos de dureza Rockwell y sus respectivas cargas y penetradores son las siguientes: CONOS CARGA 10+50 10+140 10+90 TIPO HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH HRK BOLAS DIÁMETRO CARGA 1/16” 10+90 1/8” 1/16” 1/16” 1/8” 1/8” 10+90 10+50 10+140 10+50 10+140 11 Ensayo Poldi El ensayo Poldi es una variante de la dureza Brinell, que consiste en un equipo portátil, donde el impulso se comunica directamente a un dardo de acero, golpeado con un martillo aplicado directamente con la mano. Debemos colocar el material muestra (probeta de comparación o patrón cuya dureza es conocida) entre el dardo de acero y la bola. El efecto ha de ser lo suficientemente uniforme para servir de base a la medida. Se mide el diámetro de la huella marcada por una bola. Se diferencia del Brinell en que la presión no se efectúa progresivamente, sino instantáneamente por choque y que la carga que actúa es variable. La bola que tiene el aparato se apoya por un lado sobre la pieza a ensayar y por el otro sobre la barra patrón. Al dar un golpe con el martillo, se marca una huella en cada una de las superficies, si ambos materiales tienen la misma dureza las huellas serán del mismo diámetro, si la pieza a ensayar es más dura su huella será menor. Midiendo ambos diámetros podemos por medio de una tabla conocer la dureza Brinell del material que se ensaya. Es independiente del tiempo de carga. Si Hp es la dureza del patrón y H de la pieza, y Sp es la superficie de la huella patrón y S la de la pieza a ensayar, se obtiene: ΗP H S SP H SP . ΗP S XXX HBS D POLDI Dónde XXX es la carga aplicada en kg. 12 Ensayo Knoop El ensayo Knoop es similar al ensayo Brinell o Vickers, lo que varia es el penetrador, y se utiliza para medir la dureza en valores de escala absolutas y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un material mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar. El penetrador Knoop produce una huella relativamente poco profunda (1/30 de la longitud de de la diagonal mayor), cuando se compara con una carga realizada por penetrador Vickers. Consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida del material a probar con una fuerza conocida, durante un tiempo de empuje determinado, y la hendidura resultante se mide usando un microscopio. Se emplea un penetrador de diamante piramidal de base rómbica de geometría con relación entre diagonales de 1:7. Sus ángulos entre aristas son a = 130° y b = 172° 30’, de donde obtenemos: Donde: L es la longitud de la hendidura en su eje largo, Cp es el factor de corrección relativo a la forma de la hendidura, idealmente 0,070279 y P es la carga. XXX HK P/t Entre las ventajas de esta prueba está que se necesita sólo una cantidad de muestra muy pequeña, y que es válida para un rango muy amplio de fuerzas. La principal desventaja es la dificultad de tener que usar un microscopio para medir la incisión (con una precisión de 0.5 micrómetros), y el tiempo necesario para preparar la muestra y aplicar el penetrador o hendidor. Se usa para durezas normales (P = 1-5 Kp), superficiales (P = 1/2-1 Kp) y micro durezas (P = 10 a 500 gr.). Se emplea sólo en laboratorio, para medir la dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos. 13 TABLA COMPARATIVA DE DUREZAS Dedicado a: Vicente Capote Bujalance. 14
