Ensayos de Dureza Dinámica

Dureza Poldi

Es una variante del ensayo Brinell. Es un método portátil e independiente del tiempo de carga. La carga se ejerce mediante un golpe de martillo sobre un conjunto formado por el material objeto de ensayo, una bola de diámetro conocido y un material de referencia, colocados en forma de sándwich. El valor de la dureza se obtiene de la relación de la superficie de las dos huellas, según la fórmula:

H = (S_P / S) · H_P

Donde:

• S_P: superficie de la huella en el material de referencia.
• S: superficie de la huella en el material.
• H_P: dureza de la probeta patrón.

Dureza Shore

Este método se aplica a plásticos termoplásticos y elastómeros. Utiliza un muelle calibrado capaz de ejercer una fuerza sobre el penetrador. Se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percusor que, después de chocar con la probeta, rebota hasta una cierta altura. Según esta altura de rebote, se determina la dureza Shore (HS). Se mide la dureza de un material dejando caer sobre él otro más duro; por ello, se conoce como dureza elástica. Si el material es muy elástico, la energía absorbida es alta y el rebote es pequeño; en cambio, si se trata de un material duro, el rebote será mayor. Puede considerarse un ensayo no destructivo, ya que la huella impresa en el material es muy pequeña y no es necesario elaborar una probeta específica.

Existen diversas escalas adaptadas a distintos tipos de materiales; por ejemplo, la escala D se usa para plásticos duros y la escala C para yeso fraguado.

Ventajas:

• No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado.
• Permite medir la dureza superficial de piezas terminadas.
• Es considerado un ensayo no destructivo para medir durezas en estos materiales.

Ensayos de Resistencia al Impacto: Resiliencia

La resiliencia es la característica mecánica contraria a la fragilidad. El ensayo de resiliencia tiene por objeto conocer la resistencia de un material para soportar una carga dinámica de choque.

Es un ensayo dinámico en el que se mide la resistencia de los materiales a un impacto. Se calcula la energía que absorbe un material en un proceso de rotura cuando es sometido a un esfuerzo de impacto.

Péndulo de Charpy

Para la realización del ensayo se emplea el Péndulo de Charpy, que consiste en una masa pendular que oscila alrededor de su eje. Consiste en un péndulo con un martillo de masa m que cae desde una altura H, rompe una probeta y se eleva hasta una altura h’. La probeta tiene forma de prisma rectangular de sección cuadrada con una entalladura en forma de V en su parte central.

La energía absorbida se calcula como la diferencia de la energía potencial del martillo, mediante la diferencia de alturas o la diferencia de los cosenos de los ángulos final e inicial con respecto a la vertical.

Ensayo de Izod

El ensayo de Izod es una variante del anterior, en el que la probeta se encuentra empotrada, es decir, está sujetada sólo por un borde. En el caso del ensayo Charpy, la probeta está apoyada por los dos extremos. Se utiliza frecuentemente con materiales plásticos.

Ensayos de Fatiga

La fatiga es una forma de rotura que ocurre con cargas inferiores a las habituales de rotura estática, pero que pueden provocarla en materiales sometidos a esfuerzos dinámicos variables que se repiten con cierta periodicidad y siempre que actúen durante el tiempo suficiente.

En el ensayo de fatiga se reproducen las cargas alternativas que se presentan en una pieza en servicio. Un material es resistente a la fatiga cuando soporta un determinado número de esas variaciones de carga.

Los ensayos de fatiga se suelen realizar a la temperatura a la que están expuestas las piezas durante el servicio. Las máquinas empleadas realizan ensayos de flexión plana, esfuerzos axiales, torsión y flexión rotativa.

La rotura por fatiga tiene tres etapas bien diferenciadas:

1. Iniciación de la grieta: Se da en algún defecto puntual; es un fallo a nivel atómico o molecular.
2. Propagación de la grieta: La grieta avanza y la sección útil del material va disminuyendo.
3. Rotura final: Llega un momento en el que la sección útil no es capaz de soportar la carga y la pieza se rompe bruscamente (rotura frágil).

El tipo de cargas en ensayos de fatiga puede ser:

• Pulsatoria: Si la tensión varía entre un máximo y un mínimo del mismo signo.
• Intermitente: Si varía entre 0 y un máximo.
• Alternativa simétrica: Si varía entre dos valores iguales de signo contrario.
• Alternativa asimétrica: Si la tensión varía entre dos valores desiguales de signo contrario.

Otros Ensayos Tecnológicos Destacados

Ensayos de Chispa

Son ensayos cualitativos que indican de manera aproximada la composición de un material. Se basan en la diferencia de forma, de color o del número de chispas que produce un metal al presionarlo contra una muela de esmeril. Para llevarlo a cabo se debe disponer de muestras de materiales de composición conocida, que se emplean como patrón para poder comparar las chispas que produce la muestra.

Ensayos de Plegado

Estos ensayos, también llamados de doblado, permiten conocer la plasticidad de un material. El ensayo se puede llevar a cabo en instrumentos específicos (dobladora de metales) o en la propia máquina de ensayos universal con el utillaje adecuado. Se puede realizar en frío o en caliente y puede ser un plegado simple, plegado doble o doblez alternativa.

Ensayos de Embutición

Este ensayo consiste en dar forma a una chapa por aplastamiento sobre una matriz. En la actualidad se emplean en la fabricación de automóviles, electrodomésticos, etc. Este proceso genera esfuerzos de tracción, pero también hay fluencia de material, es decir, desplazamiento de este como consecuencia de la compresión a la que se somete. En estos casos, lo que interesa es conocer la resistencia del material hasta su rotura. Los ensayos se realizan sobre chapas en la máquina de Erichsen. El grado de embutición se mide por la carga a la que se somete la probeta y por el avance o flecha producido por la chapa cuando aparece la primera grieta en el casquete esférico.

Ensayos de Forja

La forjabilidad es la capacidad del material para sufrir deformación plástica sin romperse ni desarrollar defectos. Para medir la forjabilidad se han desarrollado numerosas técnicas que buscan someter probetas a diferentes ensayos para medir y observar su comportamiento ante la deformación plástica. Dentro de los ensayos realizados para medir la forjabilidad de los materiales se pueden contar los de tracción y compresión, a los que se suma el ensayo de torsión. También se usan máquinas de forjado que consisten principalmente en prensas y martillos. Otra técnica es el forjado por golpe (artesanal).

Ensayos No Destructivos (END)

Los ensayos no destructivos (END) sirven para detectar defectos en el material. No causan daño en la estructura ni en sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Se trata de determinaciones generalmente más rápidas y económicas que los ensayos destructivos, aunque pueden ser menos precisas en la cuantificación directa de propiedades. No se consideran ensayos de medida de las propiedades intrínsecas de los materiales, sino de detección y caracterización de defectos o discontinuidades. Algunos ejemplos comunes son: ensayos magnéticos, ensayos eléctricos, ensayos por líquidos penetrantes, ensayos por rayos X, por ultrasonidos, rayos gamma, etc.

Inspección Visual Macroscópica

La estructura de los materiales puede observarse por procedimientos macroscópicos y microscópicos. Aunque sólo permite detectar defectos superficiales en la pieza o material a inspeccionar, el control visual, realizado por personas con gran experiencia y buena agudeza visual, constituye un medio mucho más útil de lo que puede aparentar. Para realizar este tipo de ensayo es necesario preparar las superficies a examinar, eliminando cualquier resto de óxidos, grasa, aceite, etc., utilizándose para ello cualquier procedimiento de limpieza que no dañe dicha superficie.

El inconveniente de la inspección visual quizás más grave, aparte de la imposibilidad para ver defectos internos, es el riesgo de que sea muy subjetiva. Para evitarlo en lo posible, conviene realizarse de acuerdo con una norma o documento establecido previamente, en el que se especifiquen de forma precisa los defectos que se consideran como motivo de rechazo. Otra limitación radica en la dificultad para obtener un registro documental detallado del ensayo realizado.

Ensayos Magnéticos (Partículas Magnéticas)

Es un tipo de ensayo no destructivo que permite detectar discontinuidades superficiales o subsuperficiales (próximas a la superficie) en materiales ferromagnéticos. El principio de este método consiste en inducir un campo magnético en un material ferromagnético. Si existen discontinuidades perpendiculares a las líneas del campo magnético, se generan distorsiones que provocan la formación de polos magnéticos locales (campos de fuga), los cuales atraen partículas magnetizables (generalmente polvo fino de hierro) que se aplican en forma de polvo seco o en suspensión líquida sobre la superficie que se examina. La acumulación de estas partículas revela la presencia y forma de grietas y fisuras superficiales o subsuperficiales. En cambio, si no aparece ninguna discontinuidad o ésta se presenta paralela a las líneas de fuerza, no se producirá ninguna aglomeración significativa de las partículas. No obstante, este inconveniente puede salvarse fácilmente disponiendo el imán o la fuente de magnetización en distintas posiciones, de forma que el campo magnético que se aplica tenga distintas direcciones respecto a las posibles orientaciones de los defectos.

Ensayos Electromagnéticos (Corrientes de Eddy)

Se basan en la medición de uno o más campos eléctricos o magnéticos generados eléctricamente e inducidos en el material de ensayo.

Técnica de Corrientes de Eddy (Corrientes Inducidas)

Consiste en hacer pasar una corriente alterna por una bobina (solenoide), la cual genera un campo magnético variable. Al acercar esta bobina a un material conductor, este campo magnético induce corrientes circulares en el material, conocidas como corrientes de Eddy o inducidas. Los defectos existentes en la pieza (grietas, variaciones de conductividad, etc.) interrumpen o alteran el flujo de estas corrientes inducidas, lo que provoca que el campo magnético secundario producido por dichas corrientes sea modificado. Estas variaciones son detectadas por la bobina o una bobina secundaria.

Ofrecen la ventaja de que los resultados del ensayo se obtienen casi de forma instantánea. Además, dado que lo único que se requiere es inducir un campo magnético, no hay necesidad de tener contacto directo con el material de ensayo (aunque se requiere proximidad). La técnica está limitada a la detección de discontinuidades superficiales y subsuperficiales (hasta unos 6 mm de profundidad, dependiendo del material y la frecuencia) y a materiales conductores de la electricidad.

Ensayos por Ultrasonidos

Se basan en el uso de una onda acústica de alta frecuencia (superior a 20.000 Hz, típicamente en el rango de MHz), no perceptible por el oído humano, que se transmite a través de un medio físico (aire, agua, acero, etc.), pero no en el vacío. Se utiliza para la detección de discontinuidades internas y superficiales o para medir el espesor de paredes.

Se utiliza un transductor (palpador) que contiene un material piezoeléctrico. Cuando a este material piezoeléctrico se le aplica entre sus caras una diferencia de potencial eléctrico (un pulso de voltaje), reacciona deformándose (efecto piezoeléctrico inverso), transmitiendo a la pieza una onda ultrasónica que se propaga a través de esta. Al incidir con una superficie límite (una discontinuidad, como una grieta o inclusión, o el borde de la pieza), tiene lugar la reflexión de la onda (eco), que es captada por el mismo transductor u otro (efecto piezoeléctrico directo).

Una primera clasificación de los palpadores puede hacerse en base a cómo sale de él el haz de ondas:

• Palpador de haz normal: Transmiten el haz de sonido perpendicular a la superficie de apoyo.
• Palpador angular: Transmiten sus haces acústicos formando un ángulo con la superficie a ensayar (útiles para inspeccionar soldaduras, por ejemplo).

El acoplante es un medio (líquido o gel, como agua, aceite o grasa) que se interpone entre el palpador y la superficie de la pieza a inspeccionar para mejorar el acoplamiento acústico, eliminando la capa de aire. De esta forma, la onda generada y la recepcionada por el palpador sufren la menor pérdida de energía posible. Se suele emplear aceite o grasa dependiendo del grado de rugosidad de la pieza.

Método de Transparencia o de Sombra

En esta técnica se emplean dos palpadores, uno emitiendo y otro recibiendo la onda ultrasónica, por lo que es necesario que estén perfectamente alineados a través de la pieza. La presencia de un defecto atenúa o bloquea la señal recibida.

Método de Impulso-Eco

En esta técnica se utiliza un único palpador que actúa como emisor y receptor de la onda ultrasónica. Permite, a diferencia del anterior método, determinar la profundidad y dimensión aproximada de la discontinuidad, así como su localización en la pieza, basándose en el tiempo de tránsito del eco. Esta técnica es la más utilizada en la práctica por su sencillez de aplicación e interpretación.

Ensayos Radiográficos (Rayos X y Rayos Gamma)

Emplea los rayos X y los rayos γ (gamma) para detectar imperfecciones internas, medir el grosor de las paredes y detectar la corrosión. Estos rayos son radiaciones electromagnéticas, pero con longitudes de onda mucho más cortas que la luz visible, lo que implica mayor energía y capacidad de penetración.

Tanto los rayos X como los rayos γ (gamma) ofrecen, entre otras, las siguientes características:

• No son visibles al ojo humano.
• Son capaces de atravesar materiales opacos a la luz visible.
• Impresionan las películas fotográficas (o son detectados por sensores digitales), en las cuales quedarán reflejados los defectos en caso de existir, debido a las diferencias en la absorción de la radiación por parte del material sano y las discontinuidades.

Los distintos defectos del material a ensayar absorben las radiaciones en distinta proporción que el material sano.

Características Específicas y Precauciones

• Rayos X: Son generados por un tubo de rayos X. Son peligrosos para las personas, por lo que se deberán tomar muchas precauciones en su manejo y blindaje adecuado.
• Rayos Gamma (γ): Son radiaciones electromagnéticas emitidas durante la desintegración radiactiva de isótopos inestables (como Iridio-192 o Cobalto-60). Son similares a los rayos X, pero generalmente con longitudes de onda aún más cortas y mayor poder de penetración. Sus características incluyen:
  • Muy penetrantes.
  • Se propagan en línea recta.
  • No se desvían por campos eléctricos o magnéticos (en el contexto de su uso en END).

El proceso de ensayo con rayos gamma es conceptualmente parecido al de los rayos X, utilizando una fuente radiactiva en lugar de un tubo generador.

Limitaciones de los Ensayos Radiográficos

• No es posible utilizarlo para todo tipo de espesores; este valor va a depender del tipo de material utilizado y de la energía (potencia) del equipo generador de radiación o de la fuente radiactiva.
• Uno de los problemas que plantea este ensayo es la peligrosidad de las radiaciones ionizantes utilizadas; de hecho, está regulado por ley todo lo concerniente a equipos, personal, protecciones, tiempos de exposición y pruebas a realizar sobre el personal que trabaja con este tipo de técnicas.

Ensayos por Líquidos Penetrantes

Permite la localización de discontinuidades (grietas, poros, etc.) que están abiertas a la superficie de la pieza a ensayar. Se basa en la propiedad que tienen ciertos líquidos, llamados “penetrantes”, de infiltrarse por capilaridad en el interior de discontinuidades que estén abiertas hacia la superficie a examinar.

Los líquidos penetrantes pueden ser de dos clases principales:

• Líquido penetrante coloreado (visible): Son líquidos, generalmente de tipo orgánico, a los que se les añade un pigmento, normalmente rojo, que da un tono muy intenso y contrasta con el revelador blanco.
• Líquido penetrante fluorescente: Generalmente de color amarillo-verdoso, llevan en su composición un pigmento fluorescente, visible como una indicación brillante cuando se ilumina con luz ultravioleta (UV o luz negra) en un ambiente oscurecido.

Se llama revelador al producto (generalmente un polvo fino blanco en suspensión o seco) que se aplica después de eliminar el exceso de penetrante de la superficie. El revelador actúa como un papel secante, extrayendo el penetrante que se había introducido en las grietas o discontinuidades, haciéndolo visible sobre la superficie.

Se distinguen dos tipos principales de indicaciones:

• Indicaciones lineales: Aquellas que tienen una longitud mayor que tres veces su anchura. Suelen estar asociadas a grietas, solapamientos, etc.
• Indicaciones redondeadas: Aquellas indicaciones circulares o elípticas cuya longitud es menor o igual que tres veces su anchura. Suelen estar asociadas a porosidad.

Este ensayo se utiliza sobre todo tipo de materiales no porosos, tanto metales (ferrosos y no ferrosos) como no metales (cerámicas, plásticos, vidrios), con la única excepción de los materiales porosos donde el penetrante se absorbería en toda la superficie.