ENSAYOS Y ANALISIS DE
MATERIALES PARA
INGENIERIA
(TEORIA Y PRACTICAS)
Prof. Alfredo Morales
EDITORIAL GLOBUS
Laboratorio de Materiales
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
Estado Zulia . Venezuela
ENSAYOS Y ANALISIS
DE
MATERIALES
PARA
INGENIERIA
Editorial
GLOBUS
Global Bussines
PROLOGO
Se ha preparado este curso para todos aquellos estudiantes de ingeniería que se encuentren
ligados al análisis y estudios de los materiales, sea que estén fuera o dentro de un salón de clase, y
para todos aquellos que deseen tener una mejor comprensión del comportamiento de los materiales
durante su selección y utilización.
Se estudian los diversos tipos de ensayos que les pueden aplicar a los materiales metálicos ferrosos
o no ferrosos, así como sus diferentes técnicas y/o métodos a ser aplicados, tomando en cuenta las Normas
Internacionales, quienes establecen las condiciones predeterminadas en el análisis e interpretación de los
resultados a ser obtenidos en cada uno de los ensayos. El material contiene descrito cada uno de los
procedimientos a ser aplicados para los ensayos, los cuales pueden tomarse como regla general al
momento de realizar estos tipos de ensayos, bien sea a nivel de laboratorio, como a nivel laboral; ya que
en las industrias se manejan las mismas técnicas y procedimientos.
Deseo expresar mi agradecimiento a la AMERICAN SOCIETY FOR METALS (ASM), a la
AMERICAN SOCIETY TESTING MATERIALS (ASTM), a la AMERICAN SOCIETY OF NDT y a
muchas otras instituciones que me permitieron utilizar con toda libertad sus materiales como parte de este
libro de texto; así como a las diversas empresas en el ramo metalúrgico quienes permitieron la utilización
de sus equipos de laboratorio para realizar pruebas para la conformación verídica de los diversos ensayos
a ser aplicados.
Agradecemos el que todos los usuarios de esta obra, tanto estudiantes como instructores, me
enviaran vía emails sus comentarios y sugerencias sobre la forma de mejorar las futuras ediciones.
Todo lo que nos rodea esta estructurado por átomos, que en conjunto conforman
los diversos tipos de materiales; y que debido a la forma en que se distribuyen o se
organizan estos átomos, los materiales establecen ciertos comportamientos
mecánicos, químicos, entre otros. Estos materiales proporcionan beneficios a la
humanidad, siempre y cuando hayan sido creados para cumplir un fin especifico. Es
por ello que en la medida que se crean o se analizan estos materiales, se hace
necesario la implementación de ciertas técnicas que contribuyen a determinar los
comportamientos homogéneos o heterogéneos que presentan, en un momento
determinado.
A esta serie de técnicas o procedimientos, se les conoce con el nombre de
“Ensayos”, y la interpretación de los resultados obtenidos en dichos ensayos, se
denominan “análisis”. Los ensayos pueden definirse, como la implementación de
técnicas y procedimientos, a fin de caracterizar, describir y analizar un contexto,
una literatura o un acontecimiento científico. Es por ello que los ensayos se
clasifican en; Literarios, Expresivos y Científicos. Para nuestro caso en el desarrollo
de este libro, estaremos aplicando los ensayos científicos y muy específicamente,
los ensayos de materiales.
Fu n d am en to s
G en er ales d e
Lo s En say o s
Capitulo
1.1. GENERALIDADES
Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las
calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de
aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen
una serie de ensayos mecánicos y no mecánicos para verificar principalmente la resistencia a los
diferentes esfuerzos que pueda estar sometido o la presencia de grietas internas en el material.
Los Ensayos de Materiales están presentes en los proyectos, en el control de tensiones en máquinas y
estructuras, en la detección de fallas, en el estudio de las estructuras cristalográficas de los metales y en
la determinación de las causas que provocan la rotura de los materiales en servicio. Se denomina
Ensayos de Materiales a toda prueba cuyo fin es determinar las propiedades mecánicas de un material.
Los ensayos en materiales pueden ser de dos tipos, Ensayos destructivos o Ensayos no destructivos;
estos últimos muy importantes en los controles de calidad (es demasiado caro romper para comprobar
un número de veces que asegure que se cumple los estándares). Los Ensayos Destructivos típicos son el
ensayo a tracción del que se obtiene la curva de comportamiento del material, el de compresión, el
ensayo de torsión, para caracterizar mecánicamente el solido, los ensayos Metalográficos, para
caracterizar microestructuralmente los materiales.
Los Ensayos no destructivos típicos son los ultrasonidos, para encontrar grietas profundas, el ensayo con
corrientes, para medir a través de las corrientes inducidas el espesor de la pintura en una superficie, el
de campo magnético, que permite a simple vista encontrar grietas superficiales muy pequeñas, el ensayo
de dureza, entre otros.
Los Ensayos en la actualidad se encuentran Normalizados (Son dependientes de normas y reglas
nacionales e internacionales); y tienen por objetivo conocer o comprobar las características y
propiedades de los materiales o descubrir defectos en las piezas fabricadas. Los ensayos se han hecho
indispensables en la industria moderna, realizándose sistemáticamente para controlar la calidad de la
producción y para la recepción de materiales provenientes de proveedores, para verificar la calidad de
los mismos.
Sin embargo, para nuestro caso, los ensayos también nos sirven para comprobar y estudiar a
profundidad las diversas propiedades de los materiales que se fabrican o que se crean mediante la
combinación de dos o mas materiales o compuestos, o por la combinación de dos o mas elementos
químicos.
1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS
La clasificación de los ensayos se genera dependiendo de los diferentes tipos de materiales a ser
estudiados los materiales y aleaciones se caracterizan mediante cuatro categorías:
a) Por su composición Química.
- Cristalina
b) Por sus Estructuras
- Micrográfica
- Micrográfica
- Su Fusión o Solidificación
c) Por las temperaturas a las que tiene lugar
- Sus Transformaciones Alotrópicas
d) Por su Constitución
Por tanto, para conocer y comprobar las características de los materiales y aleaciones será necesario
realizar ensayos para determinar su composición, sus estructuras, su temperatura de fusión y puntos
críticos y su constitución. Al conjunto de estos ensayos se denominan ensayos de características.
El conocimiento de las características metalográficas determinada por los ensayos anteriores permite
prever el comportamiento de los metales y aleaciones en su utilización industrial; pero interesa valorar
exactamente sus propiedades, sobre todo las mecánicas, que son las de mas interés industrial, como son
la elasticidad, plasticidad, tenacidad, etc. Para esto se han desarrollados ensayos adecuados, que se
designaran con el nombre de Ensayos de Propiedades Mecánicas.
Interesa también, en muchas ocasiones, comprobar la actitud para la conformación a que se van a
someter los materiales en los procesos de fabricación de piezas, y para esto se han desarrollado los
Ensayos de conformación o Tecnológicos., entre los que se encuentran los Ensayos de Embutición, forja,
etc. Un vez que los metales han sido elaborados en lingotes y fabricadas las piezas, es necesario
comprobar que carecen de fallas que pudieran malograr sus propiedades, mediante ensayos que se
designaran con el nombre de Ensayos de Defectos.
Como los ensayos de propiedades producen, en general, la rotura, o por lo menos, dañan las probetas o
piezas de muestra, también se denominan Ensayos Destructivos. En cambio, los ensayos de defectos,
como se experimentan en piezas útiles, cuyo buen estado se requiere comprobar, son de tal naturaleza
que no dejan huellas y por eso se pueden denominar también Ensayos no Destructivos.
Resumiendo lo antes expuesto, los ensayos pueden clasificarse en los siguientes grupos:
A) ENSAYOS DE CARACTERISTICAS
I.
De Composición
- Cristalina
II.
De Estructura
- Micrográfica (Estudia el Grano)
- Micrográfica (Estudia la Fibra)
- De temperatura de fusión y Solidificación
III.
Análisis Térmico
- De temperatura de transformación (Puntos Críticos)
IV.
De Constitución.
B) ENSAYOS DE PROPIEDADES MECANICAS (DESTRUCTIVOS)
- Dureza
- Tracción en Fríos y en Caliente
- Fluencia
I.
Estáticos
- Compresión
- Pandeo
- Flexión Estática
- Torsión
- Resistencia al Choque
II.
Dinámicos
- Desgaste
- Fatiga
C) ENSAYOS DE CONFORMACIÓN (TECNOLOGICOS)
Doblado
Embutición
Forja
Corte
D) ENSAYOS DE DEFECTOS (NO DESTRUCTIVOS)
- Partículas Magnéticas
Métodos Superficiales
- Líquidos Penetrantes
Magneto – Acústicos
Electro- Magnéticos
Sónicos
Pruebas Ultrasónicas
Por Rayos X
Por Rayos Gamma
1.3. ENSAYOS DE COMPOSICIÓN
Los ensayos de composición tiene por objeto determinar
la composición química de las aleaciones y las impurezas
de los metales. El procedimiento mas exacto para
determinar la composición química de cualquier material
es el análisis químico; el cual consiste en un conjunto de
técnicas y procedimientos empleados para cuantificar la
composición química de una sustancia. Los análisis
químicos pueden ser: Cualitativos y Cuantitativos. En un
análisis cualitativos se pretende identificar las sustancias
de una muestra. En el análisis cuantitativo lo que se
busca es determinar la cantidad o concentración en que
se encuentra una sustancia especifica en una muestra.
Un análisis químico efectivo de una muestra suele basarse en una reacción química del componente, que
produce una cualidad fácilmente identificable, como el color, calor o insolubilidad. Los análisis
gravimétricos basados en la medición de la masa de precipitados del componente, y los análisis
volumétricos, que dependen de la medición de volúmenes de disoluciones que reaccionan con el
componente, se conocen como “método por vía húmeda” y resulta mas laborioso y menos versátiles que
los métodos mas modernos.
Los análisis químicos son lentos, costos y requieren de personal especializado, es por ello que se han
desarrollado ensayos adaptados especialmente a la industria, de fácil aplicación e interpretación de sus
resultados. A esta clase de ensayos pertenecen los análisis fotocolorimetricos, los espectrograficos y los
ensayos por chispas.
Análisis Fotocolorimetricos.
Este análisis constituye en realidad una análisis cuantitativo simplificado. Fundamentalmente consiste en
examinar soluciones de los metales obtenidos con reactivos especiales que adquieren una intensidad de
color determinada para cada grado de concentración de los metales. La medida de la transparencia de la
solución, realizada por medio de una célula fotoeléctrica, de la concentración del metal disuelto y, por
tanto, el porcentaje de metal analizado.
Análisis Espectrograficos.
Es un análisis cualitativo. Se opera poniendo en
incandescencia el material a ensayar, por medio de
una fuerte fuente de calor, como, por ejemplo, un arco
voltaico. La luz emitida por el material incandescente
se descompone por medio de un prisma y el espectro
obtenido queda registrado en una placa fotográfica.
Fig. 2 . Espectrómetro de emisión, diseñado especialmente
para el análisis de metales; se puede analizar los siguientes elementos: cobre, hierro, plomo, estaño, aluminio, silicio, zinc, plata, sodio, magnesio, etc.
Fig. 1 Con los análisis químicos se pueden determinar
la composición química de las aleaciones y las impurezas de los metales.
Cada línea del espectro corresponde a un elemento
químico determinado que se identifica superponiendo la
placa a un espectrograma transparente en el que están
registradas las líneas correspondientes a los diferentes
elementos químicos.
Ensayos por Chispa de los Aceros.
Al atacar una pieza de acero por una muela de esmeril
girando a gran velocidad, arranca partículas de acero que
son proyectadas tangencialmente por la periferia de la
muela. Como al mismo tiempo que tiene lugar este
arranque, se produce un fuerte calentamiento local, las
partículas se desprenden a altas temperaturas, que las
pone incandescentes, produciendo rayos luminosos,
chispas, explosiones, estrellas, arborescencias luminosas,
etc.
Cada tipo de acero produce una serie de chispas
características, mediante la observación de las cuales, y
con practica, pueden identificarse determinados tipos de
aceros y con mucha practica, dar el porcentaje casi exacto
de carbono.
1.4. ENSAYOS DE ESTRUCTURAS
Aunque los metales en bruto no tengan, en general, una forma
exterior definida, tiene los átomos perfectamente ordenados, en
formas geométricas, y a esto deben una gran parte de sus
características metálicas. A esta ordenación o arquitectura interna
se denomina estructura, formada en realidad por tres estructuras
superpuestas: la Estructura Cristalina, la Estructura Granular y la
Estructura Macrográfica.
La estructura cristalina tiene como elemento fundamental el
cristal, cuyas dimensiones son del orden de las magnitudes
atómicas, es decir, del orden de 10
-8cm. Como no es posible
observar los cristales ni aun con los microscopios mas potentes, se
recurre para estudiarlos a métodos indirectos, como el de la
difracción de los rayos X, cuando pasan a través de ellos.
La estructura granular o micrografía, tiene como elemento fundamental el grano, formado por
agrupaciones de cristales. Las dimensiones de los granos son del orden de 0,2 a 0,002 mm, y por tanto,
son observables con microscopios Metalográficos.
La estructura macrográfica, tiene como elemento fundamental la fibra, que se forma al alargarse y
estrecharse los granos cuando se estiran o laminan los metales. Es observable a simple vista, cuando se
pone de relieve con medios adecuados.
Los ensayos para la determinación de la estructura cristalina son los mas difíciles de realizar y están
fundados en la difracción de los rayos X, cuya generación, propiedades y aplicación a la determinación
de las estructuras cristalinas se examinaran mediante la aplicación de los rayos X.
Fig. 3. Formas de Chispas de los aceros
Fig. 4. Equipos que generan chispa
sin destruir el material
Fig. 5. Estructura Cristalina tipo Cubica
Fig. 6. Estructura granular o micrográfica
1.5. ANALISIS TERMICO
Todos los aceros son estudiados a través de diagramas de comportamiento alotrópico, llamados
diagramas de equilibrio, en los que se reflejan los procesos de solidificación y transformación de los
metales. Para la construcción de esos diagramas, es necesario determinar con toda precisión las
temperaturas de principio y final de solidificación, y también las temperaturas a que tienen lugar los
cambios de estructura o alotrópicos de los metales y aleaciones en su enfriamiento o calentamiento,
una vez ya en estado sólido. Todas las determinaciones constituyen el objeto de lo que se denominado
análisis térmicos.
Los análisis térmicos, se realiza mediante la medición precisa de temperaturas con termómetros o
pirómetros adecuados y con la ayuda de equipos ideados para la determinación de los puntos críticos,
como se denominan los puntos o temperaturas a que tiene lugar los cambios alotrópicos.
Se determinan principalmente por dos métodos: por el método dilatométrico y por análisis térmico. El
método mas empleado es el dilatométrico; pero, en general, se procura emplear todos los métodos
posibles, para la determinación de cada diagrama de equilibrio, para asegurarse que los puntos no han
sido influidos por ninguna circunstancia anormal.
1.6. ENSAYOS DE CONSTITUCION (METALOGRAFICOS)
Los ensayos mas adecuados para conocer la constitución de los aceros son los ensayos Metalográficos,
la identificación de los constituyentes se realiza en estos ensayos observando la superficie de una
probeta, debidamente preparada para este objeto, con ayuda de un microscopio.
Los ensayos Metalográficos comprenden las siguientes operaciones: toma de muestra; desbaste y pulido
de las muestras; ataque micrográfico y observación de la probeta o muestra con aparatos adecuados.
1.7. ENSAYOS ESTATICOS
Los ensayos estáticos están compuestos por los ensayos de dureza, ensayos de tracción, ensayos de
compresión, ensayos de fluencia, ensayos de pandeo y ensayos de flexión estática. Estos tipos de
ensayos tienen como finalidad determinar y analizar las propiedades y el comportamiento mecánico de
los materiales en condiciones simuladas a las operacionales.
En algunos de estos ensayos los materiales son destruidos; sin embargo existen otros a los cuales se les
puede aplicar en el campo de trabajo. La mayoría de los ensayos estáticos confieren la aplicación de
cargas brutas en las cuales se generan presiones y fuerzas externas que buscan deformar, doblar,
pandear o romper el material, llevándolo hacia su máxima expresión en lo que a soporte de cargas se
refiere, para posteriormente determinar las cargas operativas del material guardando un rango de
seguridad que facilite el tiempo de vida útil de los materiales, cuando van a ser sometidos a cargas
externas en sus condiciones operativas reales.
1.8. ENSAYOS DINAMICOS
En la sección anterior se ha expuesto de forma somera los ensayos que valoran las propiedades
mecánicas de los materiales sometidos a cargas estáticas. Pero, en realidad, las piezas que forman parte
de maquinas están muchas veces sometidas a cargas dinámicas que chocan con ellas, las desgastan o,
simplemente, al variar de magnitud y sentido, las destruyen por fatiga.
Es por tanto, necesario reproducir las condiciones de los materiales sometidos a cargas dinámicas, con
los denominados ensayos dinámicos, de los cuales los principales son: Los ensayos de resistencia al
choque, los de desgaste y los de fatiga.
1.9. ENSAYOS DE DEFECTOS
Los ensayos de defectos tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior
de los materiales. En general, se aplican estos ensayos a piezas terminadas y, por tanto, no deben dañar
ni dejar ninguna huella. Estos ensayos son muy útiles y se aplican extensa y sistemáticamente, no solo
para el examen de las piezas o productos terminados; sin también en gran escala para revisar
periódicamente piezas que están en servicio.
Dentro de los principales ensayos de defectos se encuentran los siguientes: ensayos microscópicos,
magnéticos, magnetoacústicos, electromagnéticos, sónicos, ultrasónicos, rayos X y rayos gamma.
1.10. SIGNIFICADO DE LOS ENSAYOS
Un simplificado del significado de los ensayos, tiene que ver con la confiabilidad de los ensayos para
arrojar medidas de las propiedades que deban determinar. El significado real de cualquier ensayo reside
en el grado al cual nos capacita para predecir el desempeño de un material en servicio. Un ensayo puede
tener significado en una de dos maneras: (1) Puede medir adecuadamente una propiedad que sea
suficientemente básica y representativa para que los resultados de los ensayos puedan utilizarse
directamente en el diseño. (2) El ensayo, aun cuando sea muy arbitrario, sirve para identificar los
materiales que la experiencia ha comprobado que arrojan un desempeño satisfactorio.
Por ejemplo, en conexión con el diseño de una barra tensora para la estructura de un puente, un ensayo
de tensión en una muestra debidamente seleccionada del acero arrojara un valor que al ser modificado
por un factor de seguridad conveniente, pueda tomarse como el esfuerzo de trabajo admisible. El
ensayo que pueda lograrse que arroje una indicación directa del desempeño esperado depende en gran
medida del estado de desarrollo de las artes del ensayo y del análisis de los esfuerzos.
Un hecho sobre saliente a advertir en un estudio de los datos de ensayo detallados y en los resultados
de las investigaciones en general, es la variación de las medidas cuantitativas de las propiedades dadas.
Esto puede deberse a la carencia de precisión absoluta de las operaciones de ensayos, pero también a la
variación real de una propiedad dada entre las muestras.
1.11. DISEÑO DE LOS ENSAYOS
En el diseño de los ensayos, se sugieren las siguientes interrogantes fundamentales a considerar:
¿Cuál es la naturaleza del resultado que se espera?
¿Qué ensayo puede efectuarse para obtener un resultado?
¿Como se relacionarán los resultados de los ensayos con el desempeño?
¿Cuáles son las limitaciones del tipo de ensayo elegido?
¿Cómo debe ajustarse la precisión del ensayo, de acuerdo con las limitaciones a modo de lograr
economía de esfuerzo y confiabilidad consistente de los resultados?
¿Qué tipo de probeta es mas adecuada para el ensayo?
¿Cuántas muestras son necesarias para obtener resultados representativos?
El ensayo ideal debe ser significativo, confiable, reproducible, de precisión conocida y económica. La
elección de un procedimiento debe estar controlada por el significado del ensayo, guiada por la
economía de esfuerzo e influida por un sentido de la proporción. Las siguientes observaciones deben
tomarse en cuenta para la aplicación de un ensayos de materiales:
o La propiedad puede ser definida con suficiente exactitud
o El material es de composición o pureza conocida
o Las condiciones existentes son normales o conocidas
o Los métodos experimentales son teóricamente correctos
o Las observaciones y sus reducciones se hacen con el cuidado debido
o El orden de exactitud de los resultados se conoce.
Este ideal raramente se alcanza, pero cuando se propugna los resultados pasan de la etapa cualitativa a
la cuantitativa y se les denomina constantes, porque las redeterminaciones no darán resultados
sensiblemente diferentes. Los resultados aproximados se mejoran sostenidamente a medida que se
inventan instrumentos y métodos mas precisos.
El grado exactitud a alcanzar se convierte en una cuestión muy practica en un laboratorio de ensayos. El
tiempo y la labor involucrados en los ensayos pueden muy bien aumentar fuera de proporción a medida
que los limites de exactitud lograble se acercan.
Para la determinación de las constantes físicas o las propiedades fundamentales de los materiales, el
grado de exactitud buscado puede ser máximo. En términos generales el grado de exactitud propugnado
debe ser aquel que sea estrictamente bueno para el propósito en cuestión.
1.12. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES
Una especificación intenta ser una declaración de una norma de calidad. La especificación ideal definiría
de manera única las cualidades de un material necesario para servir con la mayor eficiencia para un uso
dado, y es posible acercarse a ella si pueden realizarse ensayos realmente significativos para determinar
la presencia de cualidades requeridas. Una especificación frecuentemente no llega a lo ideal por un
numero de razones, algunas de las cuales son las siguientes:
1) Puede ser tan vaga que admita materiales de calidad inferior
2) Puede ser demasiado restrictiva y así excluir un material de eficiencia igual o mayor
3) Puede estar basada en criterios inadecuados o inapropiados con respecto al tipo de servicio
requerido
4) Puede no estipular ninguna provisión o hacerlo con una inadecuada, para ser puesta en vigor.
Los defectos como estos conducen no solamente a la obtención de materiales insatisfactorios sino
frecuentemente a los costos desproporcionados y las disputas interminables. Varias consideraciones
fijan los limites dentro de los cuales una propiedad especificada puede permitirse que varíe. El máximo y
el mínimo a establecer pueden basarse en el experimento, pero deben reconocer las limitaciones del
proceso de fabricación. Estos limites corresponden con los limites dimensionales admitidos al fabricar
partes de maquinas, donde se permite una variación tal del tamaño que cada parte que se traduzca en
la economía de la fabricación de las partes sin obstruir indebidamente la eficiencia de la maquina
montada. Al fijar estos limites de tolerancia para materiales debe tenerse mucho cuidado de evitar
rasgos demasiados estrechos por una parte y variaciones demasiado amplias o baja calidad por otra
parte. Con frecuencia estos limites involucran la seguridad y, por lo general, la durabilidad y eficiencia.
Las especificaciones para materiales de construcción pueden definir los requerimientos para la
aceptabilidad del material de una o todas las siguientes maneras:
Especificando el método de fabricación
Especificando forma, dimensiones y acabado
Especificando las propiedades químicas, físicas o mecánicas deseables.
Otro tipo de requerimiento, aunque raramente usado en el campo de los materiales, es que un producto
no exhiba defectos estipulados durante cierto periodo después de la compra. Las especificaciones de
desempeño a menudo se usan para las maquinas. Los requerimientos relacionados con los métodos de
muestreo, ensayo e inspección con frecuencia se incluyen en las especificaciones de los materiales.
1.13. ESPECIFICACIONES NORMALES
Una especificación normal para un material es por lo general el resultado de un acuerdo entre los
interesados en un campo particular e involucra la aceptación para su uso de las agencias participantes.
Una especificación normal implica métodos de ensayos normales y ocasionalmente también
definiciones normativas. En algunos casos, los métodos de ensayo se incorporan a una especificación de
materiales. Por otra parte, algunas agencias normativas establecen métodos de ensayos además de las
especificaciones de materiales y hacen referencia obligatoria a los métodos de ensayos.
Las especificaciones normales apropiadamente redactadas y susceptibles de ponerse en vigor pueden
tener un valor inmenso para la industria. Algunas de las ventajas que pueden citarse para las
especificaciones de materiales normales son:
1. Usualmente representan el conocimiento combinado del productor y del consumidor y reducen la
posibilidad de que surjan malentendidos.
2. Ofrecen al fabricante una norma de producción, tienden a arrojar un producto mas uniforme y
reducir el numero de variedades requerido en existencia, bajando así el consiguiente desperdicio y,
por lo tanto, el costo.
3. Reducen los costos unitarios al tornar posible la producción en masa de artículos normalizados.
4. Permiten al consumidor usar una especificación ya ensayada y que puede ponerse en vigor.
5. Permiten al diseñador elegir un material con la certeza razonable de adquirirlo.
6. Simplifica la preparación de especificaciones para uso especial porque las especificaciones normales
publicadas pueden incorporarse por referencia.
7. Ayudan al agente de compras a conseguir cotizaciones verdaderamente competitivas y compararlas.
8. Establecen el procedimiento para normas de ensayo en el campo comercial y por ello permiten la
comparación de los resultados de los ensayos obtenidos en diferentes laboratorios.
En el desarrollo inicial de un procedimiento de ensayo normal, frecuentemente las organizaciones
cooperantes realizan una considerable investigación para desarrollar un procedimiento que arroje
resultados de ensayos reproducibles y significativos. La desventaja de las especificaciones normales es
que tienden a estereotipar las practicas que puedan estar solamente en etapa de desarrollo y así
obstruyen el progreso donde mas se le necesita. Por esta razón, las especificaciones normales deben
quedar bajo la jurisdicción de una agencia bien informada y completamente imparcial. Las
especificaciones para materiales y métodos de ensayos deben someterse a una continua revisión para
determinar su adecuación en condiciones cambiantes. Asimismo , varios códigos basados en estas
normas deben revisarse continuamente.
1.14. AGENCIAS ESTANDARIZADAS
Como la normalización tiene una influencia tan importante en los métodos de ensayos ordinarios,
resulta deseable para el Ingeniero poseer alguna familiaridad con la naturaleza y las especificaciones de
los materiales extensamente usados y los métodos de ensayos. Las normas promulgadas por la
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIAL (Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales),
son particular interés e importancia para quienes se ocupan del ensayo de materiales y de la inspección.
La ASTM desempeña la doble función de: (1) la normalización de las especificaciones y los métodos de
ensayos de los materiales, la cual es realizada por comités permanentes, cada uno de los cuales tiene
bajo su jurisdicción los materiales de ingeniería en un campo específicamente prescrito o alguna fase
también especifica del ensayo de materiales; y (2) el mejoramiento de los materiales de ingeniería, el
cual es logrado a través de investigaciones y rebusca por comités y miembros individuales, los
resultados de las cuales se hacen públicos a través de las publicaciones de la sociedad. Las
especificaciones se publican en una serie de volúmenes separadas llamadas ASTM STANDARDS (Normas
de la ASTM), las cuales se lanzan en nueva edición cada tres años. La labor de la normalización incluye
en general:
El desarrollo de los métodos de ensayos para los materiales
El establecimiento de definiciones normales
La formulación de especificaciones de materiales
La formulación de practicas recomendables que influyen en varios procesos de utilización de
materiales.
Dentro de las organizaciones normativas, las mas importantes son: la ASTM, ASCE, ASME, AIEE, AIMM,
API, SAE, AISI, DIN, JIS, FIOR, ASA, ACI, ABS, AASHO, METAL HANDBOOK, entre otras.
1.15. LOS ENSAYOS Y EL SENTIDO COMUN
La experimentación y el ensayo científico, así como las matemáticas, han llegado a ser una importante
herramienta del ingeniero. El ensayo no debe usarse como sustituto del pensamiento, aunque podría
descubrirse que un experimento apropiado pudiera coadyuvar al análisis.
Antes de emprenderse, el propósito de un ensayo debe de entenderse bien, y el carácter general de los
resultados debe ser previsto. La magia de los ensayos reside no en iniciarlos y esperar lo mejor, sino en
los resultados de la planeación cuidadosa e inteligente y el lento y penoso proceso de resolver
dificultades.
Es importante para el ingeniero interesado en la realización de los ensayos haber desarrollado la
habilidad para visualizar lo que acontece tras de las operaciones físicas de los ensayos las líneas de
esfuerzo y deformación, las reacciones, los movimientos de las partes componentes, los circuitos de
flujo, etc. Debe percatarse de las oportunidades de error y advertir rápidamente donde podría ocurrir
los errores. Debe permanecer alerta para advertir lo inusitado, pues ahí yace el embrión del
descubrimiento. Debe ser el primero en comprobar sus resultados recurriendo al criterio de lo que
aparezca como razonable y estar listo para verificarlos si no le parecen.
Un experimento o un ensayo permanece inconcluso hasta que se le resume, comprueba e interpreta.
Debe constituir el orgullo, como es la obligación, del ingeniero de presentar los resultados de sus
descubrimientos de manera clara, enfática, inteligible y agradable. La naturaleza de un informe debe
ajustarse para satisfacer las necesidades del auditorio. Las personas no técnicas y los usuarios de
materiales no informados poseen una tendencia a pensar que los ensayos, especialmente los de
aceptación, como instrumento precisos, infalibles y de aplicación general. Los ensayos siempre están
sometidos a condiciones limitativas, y los resultados no se pueden informar apropiadamente hasta que
se les ha asignado una interpretación práctica.
1.16. TRABAJO DE INVESTIGACION
Para afianzar uno de los puntos de mayor prioridad en esta sección, por ser un tema que no será tocado
hasta estos momentos durante el desarrollo de las practicas de Ciencias de los Materiales; se hace
necesario la elaboración de un trabajo de investigación correspondiente al tema ENSAYOS NO
DESTRUCTIVOS, por su gran importancia en el desarrollo de la investigación e inspección de campo.
Para elaborar este trabajo se tomará en cuenta el siguiente esquema:
Definición General de los Ensayos No Destructivos
Características de los Ensayos No Destructivos
Tipos de Ensayos No Destructivos
Definición de cada tipo de Ensayo No Destructivo
Características y Propiedades de cada END (Incluye fotografía de equipos y momentos de aplicación
de cada uno)
Este trabajo tendrá como máximo seis (6) páginas, incluyendo la portada; no deberá incluir: Índices,
Esquemas, Introducciones, Conclusiones, Bibliografía, Resúmenes, etc. Solo Portada y desarrollo de la
investigación. El trabajo debe ser estrictamente concreto, pero en forma concisa y con un texto
razonablemente entendible. La fecha de entrega de este trabajo, será estipulada por el Profesor de la
cátedra.
Cuando los minerales son extraídos y procesados para transformarlos en materiales
de utilidad para la humanidad, obtienen diversas propiedades entre las cuales se
encuentran: Las propiedades químicas, magnéticas, de conductividad, eléctricas,
mecánicas, entre otras.
De todas esas propiedades, las que permiten el estudio del comportamiento de los
materiales en forma generalizada, son las propiedades mecánicas; las cuales
establecen condiciones predeterminadas que contribuyen al buen desempeño de los
mismos, así como también le simplifican al ingeniero hacer la elección adecuada,
dependiendo del servicio al cual van a ser sometidos.
Para medir parte de las propiedades mecánicas se hace imprescindible estudiar la
resistencia y dureza del material, a fin de poder definir cuales serian sus mayores
esfuerzos a ser soportados o en su defectos, cuales serian las transformaciones que
habría sufrido un material que se encontraba en pleno funcionamiento.
El interés de la determinación de la dureza de los metales, estriba en la correlación
existente entre la dureza y la resistencia mecánica en los aceros al carbono, siendo un
método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su
uso está muy extendido.
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza,
ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el
material más duro que se empleaba en los talleres.
EN SAY O S
d e
D U R EZA
Capitulo
2.1. GENERALIDADES
Todo lo que nos rodea está compuesto de diversos materiales, entre los cuales podemos mencionar; El plástico, el concreto, el acero, el hierro, el aluminio, el cobre, el bronce, el estaño, el antimonio, la madera, el hule y muchos más. Cada uno de estos materiales, al momento de ser fabricados, obtuvieron ciertas propiedades, tales como: Propiedades químicas, eléctricas, de conducción, magnéticas, mecánicas, etc. Propiedades estas que establecen comportamientos o indicios que nos sugieren el momento preciso y especifico de cuando puedan ser utilizados, y es por ello que se encuentran, no en todos los productos, sino en aquellos en donde su condición se lo permite o la utilidad en la cual se requiere lo amerita.
De todas las propiedades antes mencionadas, para nuestro estudio, las más importantes son las propiedades mecánicas. Estas propiedades, como su nombre lo indica nos permite medir su comportamiento mecánico, basado en la aplicación de ciertas técnicas de evaluación, que por medio de un análisis tanto cuantitativo como cualitativo, nos permiten conocer el material con el cual estamos trabajando.
2.2. PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES
A pesar de que cada material genera diversas propiedades, las que mas establecen el comportamiento mecánico son las propiedades mecánicas; Dentro de estas propiedades, se encuentran las propiedades de: Cohesión, Elasticidad y Plasticidad. Estas propiedades, nos permiten evaluar el grado de resistencia, de deformación y el tiempo de vida útil de un material cuando el mismo es sometido a ciertas condiciones que influyen en su estructura interna. Ahora comenzaremos a definir cada una de estas propiedades:
La Cohesión: Es la resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros. En otras palabras es la
capacidad que tienen los materiales a dejarse penetrar por otro. Para poder explicar esta definición debemos estar claros, que los materiales mencionados en este capítulo y los que no hayan sido mencionados están compuestos por átomos; estos átomos ocupan un lugar predeterminado en el material separados por distancias interatómicas conocidas como espacios intersticiales o intersticios, tal como se puede ver en la
figura N° 1. Tomando en cuenta lo antes aclarado, tomemos como ejemplo una lámina de acero, la cual se
desea penetrar mediante un punzón, utilizando como fuerza de empuje un martillo; lógicamente sabemos que la fuerza de empuje que tiene el martillo es suministrada por la mano del hombre; pero apartando ese pequeño detalle y volviendo a lo que se desea establecer, podemos decir que cuando el punzón incide sobre la superficie del material, deja una pequeña huella, con una profundidad irrelevante para nuestra vista, pero para efectos del material se ha producido una deformación.
Figura N° 1. Distribución de átomos en los materiales
Cuando el punzón incide sobre el material, los átomos adoptan posiciones de tal forma que los espacios intersticiales afloran para poder absorber la energía producida por la fuerza de empuje, para posteriormente impulsar al cuerpo extraño hacia fuera, y tratando de recuperar su forma original, pero una parte de la superficie del material nunca lo logra, y como consecuencia se genera la pequeña huella a la cual hicimos
Átomos Espacios
Intersticiales o intersticios
mención anteriormente. Cuando el cuerpo extraño es expulsado, los átomos recuperan su posición original, sin importar la deformación ocasionada, ya que la misma no es influyente en las propiedades mecánicas de dicho material.
La Elasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales a deformarse temporalmente, cuando inciden sobre
ellos cargas externas, que al cesar, el mismo recobra su forma original. Un ejemplo muy práctico de esta definición es el siguiente.
Imagínese un closet, el cual tiene en su interior un tubo de aproximadamente 1-1/2 pulgadas, sobre el cual se deja reposar una cantidad de vestimenta durante un tiempo sumamente corto, digamos unos 3 min.; la acumulación de esta gran cantidad de ropa genera un peso determinado que sobrepasa la carga máxima al cual fue diseñado el tubo; al cabo de ese tiempo, se puede observar que el tubo tiende a deformarse optando una curvatura con sentido hacia abajo; posteriormente al tiempo señalado, se retira toda la cantidad de ropa que sobre el tubo reposaba y es en ese momento, en el cual el tubo recupera su forma original.
La Plasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales, a deformarse permanentemente, cuando inciden
sobre ellos cargas externas, que aunque cesen, el material se mantiene deformado. Tomemos el ejemplo anterior, en el cual al mismo tubo del clóset, se vuelve a colocar la misma cantidad de vestimenta. Recuerden que esta cantidad de ropa sigue generando el mismo peso determinado; pero esta vez, permanece por un tiempo prologando, aproximadamente 3 meses; al cabo de ese tiempo, se retira toda la vestimenta que sobre él reposaba y aun cuando el tubo trata de recuperar su forma original, solo logra una fracción de la misma; sin embargo el material permanece deformado con una curvatura pronunciada hacia abajo.
En estos ejemplos tan sencillos puede verse con claridad, como las propiedades de elasticidad y plasticidad influyen sobre el comportamiento del material en diversas condiciones, tanto favorables como desfavorables, por lo que a partir de aquí se concluye que para poder utilizar cualquier material en condiciones especificas, debemos analizar su comportamiento, tanto estructural como mecánico, para poder garantizar su funcionabilidad.
Dentro de la propiedad de plasticidad se generan dos tipos de deformaciones: La deformación por envejecimiento y la deformación por exceso.
o Deformación por Envejecimiento. Es aquella que se produce cuando un material es sometido a su máxima capacidad de resistencia durante un periodo prolongado, logrando de esta manera que la fibra de los materiales se estiren de forma tal, que no pueden volver a su estado original.
Un ejemplo claro de este tipo de deformación, es cuando se toma un material diseñado para soportar una resistencia máxima de 4.200 kg/mm2 y es sometido a su máxima resistencia durante un tiempo prolongado. A medida que el tiempo transcurre las fibras estructurales del material se estiran pasando el límite entre la elasticidad y la plasticidad, trayendo como consecuencia que se genere una deformación permanente a nivel estructural. Es por ello que normalmente, los diseñadores y fabricantes de materiales, luego de evaluar dicho material recomiendan, que los mismos sean trabajados con cargas menores a las cargas de diseño (máxima resistencia a soportar), garantizando de esta manera el tiempo de vida útil de los materiales.
o Deformación por Exceso. Es aquella que se produce, cuando un material es sometido a esfuerzos por encima de su máxima capacidad de resistencia, trayendo como consecuencia que el material se deforme en forma instantánea y puede llegar hasta su ruptura si fuera el caso.
Para este tipo de deformación se toma como ejemplo la utilización de un material que ha sido diseñado para soportar cargas de hasta 2.500 kg/mm2, sin embargo por problemas operacionales, las cargas exceden a los 2.850 kg/mm2. Este incremento de la carga genera no solo una deformación permanente, sino que además, puede causar que el material fracture por completo logrando su ruptura total.
Existen dos subpropiedades dentro de la plasticidad; la Maleabilidad y la Ductilidad.
La Maleabilidad: Es aquella propiedad en donde el material se deforma en forma de lámina, tal como se produce en el proceso de Laminación. La laminación es un método de mecanizado utilizado para crear láminas o chapa de metal. El proceso consiste en deformar los metales haciéndolos pasar entre dos cilindros (figura N°
2), que giran en sentido inverso.
Figura N° 2. Proceso de Laminación
Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de máquinas. La elección de la máquina más adecuada va en función del tipo de lámina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la naturaleza y características del metal. La máquina más común es de simples rodillos, por entre los cuales se introduce el metal a altas temperatura (laminado en caliente).
También es posible la laminación a temperaturas bajas (laminado en frío). En este caso la relación de espesor de entrada a los rodillos frente al espesor de salida es menor que en el caso de laminado en caliente, necesitándose varias pasadas hasta completar el proceso. Es habitual utilizar en este caso laminadores reversibles. La calidad del laminado en frío suele ser mayor que la laminación en caliente, ya que es posible tomar medidas de espesores, realizando así un mejor control del proceso.
El proceso consiste en pasar un material (Touchos, Toudom o Lingote), con dimensiones de 4” x 4” x 2 metros de largo por un par de rodillos, tal como se puede ver en la figura N° 2. Previamente, dicho material debe ser calentado hasta alcanzar una temperatura de 800°C, aproximadamente, debilitando de esta manera las propiedades del mismo, convirtiéndolo en blando para lograr una deformación adecuada, sin producir daños exteriores o interiores. El producto final de la laminación puede presentarse en grupos de chapas de tamaños normalizados, o de bobinas en las que la lámina se enrolla en un cuerpo, también bajo medidas normalizadas.
La Ductilidad: Es aquella propiedad en donde el material se deforma en forma de hilo, tal como se produce en el proceso de trefilado. El trefilado, consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefiles de carburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor (figura N° 3). Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características mecánicas.
La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2. Alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.
Como puede verse en ambos casos se presentan, los tipo de deformaciones que se han descrito anteriormente (Envejecimiento y Exceso); sin embargo en los procesos que se han mencionado, no se busca romper el material, por el contrario, se busca deformarlo de tal forma que se le pueda dar una forma específica para un producto determinado que provea un beneficio. Las propiedad de cohesión solo puede ser medida a través de los ensayos de dureza, mientras que las propiedades de elasticidad y plasticidad, pueden ser medida a través de los ensayos de tracción.
2.3. DUREZA
Como se ha podido observar hemos tocado ciertos puntos que son de vital importancia para poder desarrollar a ciencia cierta una de las propiedades mecánicas como lo es la cohesión, la cual solo puede medirse a través de los valores de dureza; sin embargo debemos saber que significa la dureza y qué importancia tiene sobre los materiales, así como también su comportamiento.
La dureza se puede definir como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro más duro.
También se valora en función de la altura del rebote de un cuerpo al hacerlo caer sobre la superficie del material ensayado (tomar el ejemplo del punzón que penetra una lámina, anteriormente descrito). Como puede verse, la definición de dureza coincide con la definición de Cohesión. Para poder estudiar este ensayo, debemos conocer los principios fundamentales del comportamiento mecánico de los materiales cuando dicho ensayo se aplica.
2.4. PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA DUREZA
Como ya se menciono anteriormente al inicio de este capítulo, todos los materiales, se encuentran conformados internamente por átomos bien distribuidos a través de toda la masa del mismo. Entre cada átomo existen pequeños espacios o vacantes, que se denominan “ESPACIOS INTERSTICIALES O INTERSTICIOS”; (figura N° 1.), dichos espacios conforman una especie de colchón cuando existe un cuerpo extraño incidiendo sobre su superficie.
A medida que el cuerpo incide sobre la superficie, dichos espacios actúan impidiendo la entrada del mismo. Si la cantidad de espacios intersticiales es mayor el cuerpo incidente puede penetrar mas al material generando huellas de mayor diámetro o tamaño; pero si la cantidad de espacios es menor, el cuerpo incidente penetra muy poco y la huella generada es de menor tamaño o diámetro. En resumen se pueden establecer los siguientes principios:
A mayor espacios intersticiales y menor cantidad de átomos, menor es su valor de dureza. A menor espacios intersticiales y mayor cantidad de átomos, mayor es su valor de dureza. Un material a mayor dureza se considera mas frágil.
Cuando un material presenta un valor de dureza alto se considera totalmente duro a la penetración pero es totalmente frágil al impacto, generándose la siguiente afirmación, a mayor cantidad de espacios intersticiales, mayor valor de dureza y por consiguiente el material se considera mas frágil; Sin embargo, hay resaltar, que los materiales de acero, no son frágiles a cualquier tipo de impacto, sino que no soportan impactos extremos medianos, debido a su poca capacidad de absorción de las vibraciones generadas por dicho impacto.
2.5. TIPOS DE DUERZA
La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que esta relacionada con las propiedades de elasticidad y plasticidad. El Procedimiento de prueba y la preparación de la muestra suelen ser sencillos y los resultados pueden utilizarse para estimar propiedades mecánicas.
Los tipos de dureza mas comunes son:
a) Dureza al rayado: Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. Dentro de la dureza al rayado tenemos:
Dureza Mohs (mineralógica). Dureza Lima.
Dureza Martens. Dureza Turner.
b) Dureza a la penetración: Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro.
Dureza Brinell (HB) Dureza Rocwell (HR) Dureza Vickers (HV) Dureza Shore (HS) Dureza Knoop (HK) Dureza MOHS.
Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs:
ESCALA DE MOHS
Escala ejemploMineral Foto Descripción
1
Talco
Los minerales de dureza 1 según esta escala, parecen grasientos al tacto y se les puede rayar con la uña.
2
Yeso
Las uñas contienen una proteína dura que puede rayar minerales de una dureza 23
Calcita
El canto de una moneda de cobre rayará minerales de dureza 35
Apatita
Los cristales de las ventanas rayarán los minerales de una dureza 4 hasta 56
Ortoclasa
El canto agudo de un utensilio de acero, como una lima, raya los minerales de dureza hasta 6,57
Cuarzo
Demasiado duro para rayarlo con materiales normales, pero servirá para probar sustancias más blandas8
Topacio
Los minerales de 8 o más grados de dureza son muy raros, pero lo que no se suelen necesitar pruebas de rayado
9
Corindón
El corindón deja su marca en todos los demás minerales de la escala, salvo el diamante.10 Diamante
La única materia natural que puede rayar a otro diamante es otro diamante.La fundición gris está entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8. Algunas de las relaciones entre las diferentes escalas de dureza, pueden apreciarse en la figura N° 4.
Figura N° 4. Comparación de Varias Escalas de Dureza
Dureza a la Lima
Puede determinarse aproximadamente la dureza de un acero por medio de una lima metalica nueva o en buen estado. Si la lima no entra, su dureza será superior a 60 HRc ó 60 Rockwell C, y si le entra, será inferior a 58 HRC ó Rockwell C. Este tipo de dureza puede considerarse incluido entre los que miden la dureza al rayado.
Dureza 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 (figura N° 5) y la dureza Martens viene dada por:
Figura N° 5. Identación de la Dureza Martens
Dureza Turner
Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor de la dureza Turner.
Dureza a la Penetración
La determinación de la dureza se hace generalmente por los ensayos de penetración o también conocidos como ensayos mecánicos. Consiste en la utilización de un penetrador que incide en la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90° de la superficie del material de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material la cual tiene un diámetro una profundidad determinada. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga, se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital, dependiendo del tipo de método de ensayo aplicado.
Los métodos más utilizados son: o Método Brinell (HB)
o Método Rockwell (HR) o Método Vickers (HV) o Método Shore (HS) o Método Knoop. (HK)
Las abreviaturas HB, HR, HV, HS y HK; son unidades de medidas establecidas para cada método al igual que el metro (m), la pulgada (pl.), entre otros. La H significa “Hardness” o dureza en ingles, la letra que le sigue corresponde al método aplicado.
2.6.
METODO BRINELL
Iniciemos este punto con uno de los métodos más aplicados tanto a nivel de campo, como de laboratorio, y tal vez uno de los que tiene más auge en el ambiente industrial. El aparato mas elemental consiste en una prensa mediante la cual se aplica la carga correspondiente (figura N° 6).
El método consiste en comprimir una bola de acero templado de diámetro “D" sobre el material a ensayar, por medio una carga de “P” medida en Kg y durante un tiempo “t” medido en segundos. Este método utiliza patrones estándar de ensayo para poder de forma tal que se pueda facilitar las condiciones de medida y ejecución; dichos patrones estándar se encuentra descrito en la siguiente tabla.
PATRONES ESTANDAR DE ENSAYO
Descripción Valores Simbolos
CARGA 3.000 Kg P
PENETRADOR Bola de Acero Templado de 10 mm de
diametro D
TIEMPO DE
PENETRACION 30 Segundos Tp
DIAMETRO DE HUELLA 1/3 * D d
MATERIAL A ENSAYAR Acero
ESPESOR 6 mm ó > e
El Penetrador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operaciones manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra. ( figura N° 7).
Figura N° 6. Maquina de Ensayos Brinell
Las cargas pueden variar de acuerdo al tipo y clase de material, de 3.000 kg para metales ferrosos a 500 kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos, la bola bajo presión incide sobre el metal durante un tiempo de 30 segundos y en materiales no ferrosos mediante un tiempo de 10 segundos.
El diámetro de la impresión o huella (figura N° 9), producida es medido por medio de un microscopio manual portátil que contiene una escala ocular (figura N° 8), generalmente graduada en milímetros, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El microscopio portátil es semejante a un bolígrafo, el cual se coloca sobre el material y específicamente sobre la huella para poder realizar la medición del diámetro de la misma tal y como se observa en la figura N° 9. El número de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la fórmula de dureza Brinell (HB).
Lente Ocular
Borde del microscopio Borde de la Huella
Entrada de Luz Natura
Lente escalar
Lente Escalar inferior Figura N° 8. Microscopio Ocular Portátil Figura N° 9. Diámetro de impresión o huella
Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que existen tablas para convertir el diámetro de la huella observada al número de dureza Brinell (Ver Tabla Nº 1, de Dureza Brinell). El diámetro de la huella dejado por el penetrador. Para poder entender el manejo de esta tabla debemos realizar un ejemplo y de esta manera aprender a manejarla. Basada en la figura indicada se puede determinar el valor de dureza mediante la aplicación de la formula (2.1.), en donde se establecen los diversos parámetros que involucran el ensayo. 𝑵𝑯𝑩 = 𝟐𝑷 𝝅×𝑫 𝑫− 𝑫𝟐− 𝒅𝟐 (1.1) Donde: P = Carga de Prueba (kg) D = Diámetro de la Bola (mm)
d = Diámetro de la impresión o huella. (mm)
Si observamos bien la tabla N° 1, podemos ver que la misma se componen de varias columnas, para lo cual iniciaremos su lectura de izquierda a derecha. La primera columna tiene como subtitulos “BRINELL y mas a bajo BOLA DE 10 mm CON 3.000 KG”; si observamos estos valores podemos ver que los mismos corresponden a los parámetros originales de los ensayos Brinell (Ver Tabla de Patrones de Ensayos). La primera columna se encuentra dividida en dos subcolumnas: Una en donde se identifica el diámetro de huella dejada por el cuerpo penetrante y la columna siguiente que indica el valor de dureza en Brinell.
Consecutivamente se reflejan otras columnas, en donde se especifican otros valores pero en otros métodos, tales como el Rockwell en sus dos principales escalas, el Vickers y el Shore, pero también especifica los valores de Resistencia a la Tracción Aproximada, ya que los valores de dureza se encuentran estrechamente relacionados con la resistencia del material.
Para entender mejor lo antes descrito realizaremos un ejemplo e un ensayo común Ejemplo:
Durante una inspección se realizó un ensayo Brinell a una lámina de acero, el espesor de dicha lamina es de aproximadamente 6,35 mm. Determinar el valor de dureza del material.
Solución
maquina Brinell que aparece en la figura N° 6, cuando el penetrador incide sobre la superficie deja una huella. Esta huella se mide por medio del microscopio portátil y se procede a medir el diámetro de la huella, la cual refleja un valor de 4,35 mm. Se busca este valor en la tabla N° 1, primera columna y se verifica el la dureza en Brinell en la columna contigua. Su valor es de 192 HB.
Como puede verse simplemente se debe tener el diámetro de la huella para poder determinar los valores de dureza. Es necesario mencionar que esta tabla solo puede ser aplicada, siempre y cuando, el material ensayado sea acero y que a su vez cumpla con los parámetros estándar de ensayo. Si cualquiera de estos parámetros no se cumple, no se puede utilizar la tabla N° 1.
En algunas ocasiones no se cuenta con tablas en el sitio de trabajo, por lo que se hace necesario utilizar otra herramienta, basada en la figura N° 7 se puede determinar el valor de dureza mediante la aplicación de la formula (2.1.), en donde se establecen los diversos parámetros que involucran el ensayo. A veces por condiciones de campo se considera el valor de un tercio (1/3) del diámetro del penetrador para correlacionar el diámetro de huella, el cual se utilizará, para efectos de cálculos, cuando no se pueda medir dicho diámetro de huella, pero se debe conocer el tipo y el diámetro de penetrador a ser utilizado.
El ensayo de dureza Brinell, se practica perfectamente con materiales de perfil grueso, de hierro o acero, pues las huellas obtenidas son claras y de contornos limpios. Sin embargo, al tratar de aplicarlo a materiales de espesores inferiores a 6 mm o en su defecto, se ensayarían materiales no ferrosos, utilizando la bola de 10 mm de diámetro se deformaría el material, y los resultados obtenidos serian erróneos. Por lo tanto se requirió disminuir la carga y al mismo tiempo el diámetro de la bola para que el diámetro de la huella pudiese quedar comprendida entre D/4 < d < D/2. Para ensayar un material las cargas a ser aplicadas deben estar relacionadas directamente con el espesor del material y el tipo de material que se ensaya. Respecto a las cargas, tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro, para que las huellas obtenidas sea semejantes y los resultados comparables, mediante la siguiente expresión:
𝑷 = 𝑲 × 𝑫𝟐 (1.2)
A continuación se especifica la tabla de valores de carga con relación al diámetro del penetrador durante la aplicación de los ensayos Brinell, para diferentes espesores. (Ver Tabla Nº 2).
TABLA Nº 2
DIÁMETRO DE LAS BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS EN EL ENSAYO BRINELL
CONSTANTE DE ENSAYO “K” . Espesores de la Probeta Diámetro de la Bola en mm. 30 30*D2 10 10*D2 5 5*D2 2.5 2.5*D2 1.25 1.25*D2 1. Superior a 6 mm 2. De 6 a 3 mm 3. Menor a 3 mm 10 5 2.5 1.25 0.0625 3.000 750 187.50 46.90 11.70 1.000 250 62.50 15.60 3.91 500 125 31.20 7.81 1,953 250 62.50 15.60 3.91 0.977 125 31.20 7.81 1,953 0,488
El coeficiente “K” empleado depende de la clase de material, siendo mayor para los materiales duros y menor para los materiales blandos (Ver Tabla Nº 3)
TABLA Nº 3
VALORES DE COEFICIENTE “KD” DE DUREZA DE CADA MATERIAL
MATERIALES VALOR “KD”
HIERO Y ACEROS 30 COBRE, BRONCES Y LATONES 10 ALEACIONES LIGERAS 5
ESTAÑO Y PLOMO 2.5 METALES MUY BLANDOS 1.25 – 0.5
Para poder entender la aplicación de estas tablas realizaremos un ejemplo, el cual se describe a continuación:
Ejemplo:
Se tiene una tubería de acero, la cual se desea ensayar mediante el método Brinell. Durante la aplicación del ensayo se determinó que la misma contaba con un espesor de 3,48 mm en forma generalizada (Promedio en toda la tubería). Calcular el valor de dureza en Brinell.
Solución:
Para iniciar la solución de este ejemplo, debemos tomar determinar si el mismo cumple con los parámetros estándar de ensayo. Por lo que podemos observar de los parámetros estándar solo se cumple el tipo de material; esto nos lleva a utilizar las tablas N° 2 y 3 y por ende la aplicación de la formula 2.2.
La formula 2.2 establece que 𝑷 = 𝑲 × 𝑫𝟐, por lo que hay que identificar cada una de las variables de dicha formula.
Determinando el Valor de K, nos vamos a la tabla N° 3, y determinamos que el acero tiene un coeficiente de dureza de 30. Con esto identificamos la expresión: 𝑷 = 𝟑𝟎 × 𝑫𝟐
Con esta expresión ya se puede identificar la columna, solo nos faltaría identificar la fila y el valor de la carga a ser utilizada. Podemos ver que el espesor promedio del material es de 3,48 mm. Esto lo llevamos a la tabla N° 2 y se observa que se encuentra ubicado en el renglón 2 (entre 6 y 3 mm), segunda fila, columna 1.
Si hacemos coincidir la fila 2 con la columna 2, podemos determinar el diámetros del penetrador, el cual es de 5 mm, si continuamos y hacemos coincidir la fila 2 con la columna 𝑷 = 𝟑𝟎 × 𝑫𝟐, se puede determinar que la carga máxima a ser utilizada es de 750 Kg.
Para determinar el valor de dureza ya tenemos algunos parámetros, como por ejemplo: la carga y el diámetro del penetrador, nos faltaría determinar el diámetro de huella, para ello se aplica la expresión:
d = 1/3 * D, eso nos daría como resultado d = 1/3 * 5 = 1,67 mm
Aplicando la ecuación 2.1, para determinar el valor de dureza, se tiene que:
𝑵𝑯𝑩 = 𝟐𝑷
𝝅 × 𝑫 𝑫 − 𝑫𝟐− 𝒅𝟐 = 𝑵𝑯𝑩 =
𝟐(𝟕𝟓𝟎)
