Clasificación de Ensayos de Materiales

Los ensayos de materiales se pueden clasificar según diversos criterios:

Según la Rigurosidad del Ensayo

• Científicos: se realizan en laboratorios especializados y permiten obtener valores precisos y normalizados de las propiedades del material.
• Tecnológicos: se utilizan para comprobar si las propiedades de un material son adecuadas para una aplicación o utilidad específica.

Según la Naturaleza del Ensayo

• Químicos: permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa de un material.
• Metalográficos: consisten en analizar la estructura interna del material (microestructura y macroestructura).
• Físicos: cuantifican propiedades como la densidad, el punto de fusión, la conductividad eléctrica o térmica, etc.
• Mecánicos: determinan la resistencia y otras características del material cuando se somete a distintos tipos de esfuerzos (tracción, compresión, torsión, etc.).

Según la Integridad de la Pieza Después del Ensayo

• Destructivos (ED): producen la rotura o un daño sustancial e irreversible en la estructura del material o probeta ensayada.
• No Destructivos (END): permiten analizar la presencia de discontinuidades, grietas o defectos internos, así como evaluar ciertas propiedades del material, sin alterar su estructura ni su futura utilidad.

Según la Velocidad de Aplicación de las Fuerzas

• Estáticos: la velocidad de aplicación de las fuerzas o cargas al material es suficientemente lenta como para no influir en el resultado del ensayo.
• Dinámicos: la velocidad de aplicación de las fuerzas juega un papel decisivo en el comportamiento del material y en el resultado del ensayo (ej. impacto, fatiga a alta frecuencia).

Principales Ensayos Mecánicos Destructivos

Ensayo de Tracción

Consiste en someter a una probeta normalizada (con dimensiones y forma especificadas por normativas) a un esfuerzo axial de tracción creciente y aplicado lentamente hasta que se produce su rotura. Este ensayo es fundamental para medir la resistencia de un material a una fuerza estática de estiramiento. Permite obtener parámetros cruciales como:

• Tensión (σ)
• Deformación (ε) o alargamiento
• Módulo de Elasticidad o Módulo de Young (E)
• Límite de proporcionalidad
• Límite elástico (límite de fluencia o cedencia)
• Resistencia a la tracción (resistencia última o carga máxima)
• Ductilidad (alargamiento porcentual en rotura y estricción porcentual de área)

Ensayos de Dureza

La dureza es la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado por otro cuerpo (deformación plástica localizada). Existen diversos métodos para medirla:

Ensayo de Dureza al Rayado

• Escala de Mohs: establece una clasificación de diez minerales ordenados según su dureza relativa, desde el talco (1) hasta el diamante (10). Un material raya a los que tienen un número inferior y es rayado por los que tienen un número superior. Es un método cualitativo.
• Método de Martens (o esclerómetro): mide la anchura de una raya producida sobre la superficie del material por un útil de diamante con una forma determinada (cono o pirámide) bajo una carga específica.

Ensayos de Dureza a la Penetración

Estos ensayos miden la resistencia de un material a la deformación plástica localizada, inducida por un penetrador bajo una carga conocida.

• Ensayo Brinell (HB o HBW): el penetrador es una esfera de acero templado (HB) o carburo de tungsteno (HBW) de un diámetro determinado (D, comúnmente 10, 5, 2.5 o 1 mm). Se aplica una carga (F) durante un tiempo específico (generalmente 10-15 segundos). La dureza Brinell se calcula a partir del diámetro medio de la huella esférica dejada en el material. El texto original menciona un rango de carga ‘entre 3000 y 1,25 kp’; sin embargo, las cargas Brinell son estandarizadas para diferentes materiales y diámetros de bola (p. ej., 3000 kp o 29.42 kN para aceros con bola de 10 mm).
• Ensayo Vickers (HV): su penetrador es una pirámide de base cuadrada hecha de diamante, con un ángulo de 136° entre caras opuestas. La dureza Vickers se calcula midiendo las longitudes de las dos diagonales de la huella rómbica dejada por el penetrador. Es aplicable a una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, y para espesores pequeños, ofreciendo un valor de dureza continuo.
• Ensayo Rockwell (HR): es el más utilizado industrialmente debido a su rapidez, la lectura directa del valor de dureza y el pequeño tamaño de la huella. Utiliza diferentes combinaciones de penetradores (bolas de acero de distintos diámetros o un cono de diamante con punta esférica llamado Brale) y cargas para adaptarse a la dureza del material (escalas Rockwell A, B, C, etc., como HRB, HRC). La dureza se basa en la profundidad de penetración.

  Ventajas principales:

  • Rapidez en la obtención de la medida.
  • Lectura directa del valor de dureza en un dial o pantalla (no requiere medición óptica de la huella).
  • Pequeño tamaño de la huella, lo que permite ensayos casi no destructivos en piezas terminadas.
  • Amplia gama de escalas para cubrir diversos materiales y durezas.

Ensayo de Resistencia al Impacto (Tenacidad)

La tenacidad se define como la capacidad que tiene un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse, especialmente bajo cargas aplicadas rápidamente (impacto). Un material tenaz puede soportar golpes sin romperse fácilmente.

Ensayo Charpy

En este ensayo se utiliza una probeta de sección cuadrada o rectangular, normalizada y con una entalladura (en forma de V o de U) en su parte central. La probeta se coloca horizontalmente apoyada en sus extremos y es golpeada en el centro de la cara opuesta a la entalladura por un péndulo o martillo de masa conocida que cae desde una altura determinada, describiendo una trayectoria circular. La energía absorbida por la probeta durante el impacto hasta su fractura (medida por la diferencia de altura del péndulo antes y después del impacto) es la medida de su tenacidad al impacto o resiliencia.

Ensayo de Fatiga

La fatiga es el fenómeno por el cual se produce el fallo (rotura) de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas o fluctuantes, incluso si la tensión máxima aplicada es considerablemente inferior a la resistencia estática a la tracción del material. Componentes como los de puentes, ejes de vehículos, alas de aviones, etc., están sometidos a este tipo de solicitaciones (tracción, compresión, flexión, torsión variables). Los ensayos de fatiga buscan determinar la vida útil de un material bajo estas condiciones (curvas S-N o Wöhler) o el límite de fatiga (tensión por debajo de la cual no se produce el fallo tras un número muy elevado de ciclos, si existe). El texto original menciona ‘dos tipos de fatiga, con defectos o sin defectos’; más precisamente, existen diferentes enfoques para el estudio de la fatiga, como la iniciación y propagación de grietas, que consideran la presencia o ausencia de defectos iniciales y su influencia.

Ensayos Tecnológicos

Estos ensayos tienen como objetivo comprobar la aptitud de un material para determinados procesos de fabricación o para soportar ciertas condiciones de servicio, evaluando su comportamiento de forma más cualitativa o específica para una aplicación, a menudo simulando las condiciones reales de trabajo o conformado.

Ensayos en Barras

• Flexión y Plegado: se comprueba la ductilidad y la capacidad de deformación plástica del material. Se somete la barra a una fuerza en su parte central (flexión en tres o cuatro puntos) o se dobla alrededor de un mandril de un radio especificado hasta alcanzar un ángulo de curvatura previsto, observando la aparición de fisuras en la zona traccionada.
• Recalcado: se lleva a cabo para comprobar el comportamiento del material bajo esfuerzos de compresión axial o de choque, evaluando su capacidad para ser conformado por forja (maleabilidad en frío o caliente) o su resistencia al aplastamiento. Una probeta cilíndrica corta se comprime axialmente.
• Maleabilidad (Ensayo de Forja en Caliente): se realiza generalmente a temperaturas elevadas. Una probeta (el texto original menciona ‘probetas planas de unos 40 cm’, aunque para barras se usarían secciones de barra o lingotes pequeños) se golpea repetidamente (por ejemplo, con un martillo pilón o prensa) cuando está al rojo vivo para evaluar su capacidad de ser deformada plásticamente en caliente sin agrietarse.
• Mandrilado (Ensayo de Expansión de Agujeros): se utiliza una probeta (generalmente plana o una sección de tubo, aunque el texto original lo incluye en ensayos de barras) en la que se realiza una perforación cilíndrica. Luego, se introduce un punzón cónico o cilíndrico (mandril) en la perforación para ensancharla hasta un diámetro determinado o hasta la aparición de grietas, evaluando la capacidad del material para la expansión de agujeros sin fisuración.

Ensayos en Chapas

• Ensayo de Plegado Alternativo (Flexión Alternativa): una chapa, generalmente de 10 a 20 mm de ancho, se sujeta entre dos mordazas y se dobla alternativamente 90° (o un ángulo especificado) a uno y otro lado sobre un radio determinado, hasta que aparezca la primera fisura o se produzca la rotura. Mide la ductilidad bajo deformaciones plásticas severas y cíclicas.
• Ensayo de Embutición (Ej. Ensayo Erichsen, Ensayo Olsen): consiste en deformar una chapa, sujeta perimetralmente por una matriz y un pisador, mediante la acción de un punzón de extremo esférico que la empuja hasta que se produce la rotura (aparición de una grieta visible). Mide la capacidad de la chapa para ser conformada por embutición profunda, indicando su ductilidad y formabilidad. La profundidad de embutición alcanzada es el resultado del ensayo.

Ensayos en Tubos

• Ensanchamiento o Abocardado: se introduce mediante golpes o a presión un cono engrasado de ángulo especificado en el extremo de un tubo para expandir su diámetro hasta un valor determinado. Se evalúa la capacidad del tubo para deformarse sin fisuras.
• Aplastamiento: se realiza comprimiendo un trozo de tubo (el texto original menciona ’50 cm de longitud’, aunque usualmente son anillos más cortos, de longitud relacionada con el diámetro) entre dos placas paralelas hasta que las paredes opuestas del tubo se encuentran o hasta una distancia especificada. Se observa la aparición de grietas o fisuras.
• Estanqueidad: se introduce en el interior del tubo un fluido (líquido o gas) a una presión superior a la que deberá soportar en servicio, durante un tiempo determinado. De este modo, se pueden manifestar defectos de estanqueidad (fugas) si existen.
• Rebordeado (o Recanteado): la prueba consiste en doblar el extremo de un tubo, a menudo a temperatura ambiente o elevada según el material, de manera que se forme un reborde o pestaña perpendicular a su eje. Evalúa la ductilidad del material del tubo y su aptitud para formar uniones embridadas.

Ensayos en Alambres

• Flexión Alternativa: similar al de chapas, pero adaptado a alambres. Se utiliza para determinar el comportamiento de un alambre bajo esfuerzos plásticos alternantes, contando el número de dobleces (generalmente de 90° o 180° sobre un radio definido) hasta la rotura.
• Ensayo de Torsión (o Retorcido): la prueba consiste en sujetar un extremo del alambre y girar el otro extremo un número determinado de vueltas o hasta la rotura, sobre una longitud calibrada. Se mide el número de vueltas que resiste antes de romperse o el par torsor necesario, evaluando su ductilidad y resistencia a la torsión.

Ensayos No Destructivos (END)

Los Ensayos No Destructivos son técnicas de inspección que permiten evaluar la integridad y propiedades de un material, componente o estructura sin causarles daño ni alterar su futura utilidad. Son cruciales para la detección de defectos superficiales o internos (discontinuidades).

• Inspección Visual (IV o VT): examen de la superficie de un objeto para detectar discontinuidades visibles (grietas, poros, corrosión, errores dimensionales), a simple vista o con ayuda de instrumentos ópticos (lupas, endoscopios, boroscopios, microscopios).
• Líquidos Penetrantes (LP o PT): se aplica un líquido coloreado o fluorescente sobre la superficie limpia de la pieza. El líquido penetra en las discontinuidades abiertas a la superficie por capilaridad. Tras eliminar el exceso de penetrante superficial, se aplica un revelador que extrae el líquido atrapado en las discontinuidades, haciéndolas visibles como indicaciones coloreadas o fluorescentes.
• Partículas Magnéticas (PM o MT): aplicable solo a materiales ferromagnéticos. Se magnetiza la pieza y se aplican finas partículas de material ferromagnético (secas o en suspensión líquida). Las partículas se acumulan en las zonas donde existen discontinuidades superficiales o subsuperficiales que provocan campos de fuga magnética, revelando su presencia y forma.
• Corrientes Inducidas (CI o ET – Eddy Current Testing): se induce una corriente eléctrica alterna (corriente de Foucault o «eddy current») en el material conductor mediante una bobina con corriente alterna. Las discontinuidades, variaciones dimensionales o cambios en las propiedades del material (conductividad, permeabilidad) alteran la impedancia de la bobina o el flujo de estas corrientes, lo cual es detectado por la misma bobina o una sonda separada.
• Ultrasonidos (UT): se emiten ondas sonoras de alta frecuencia (ultrasonidos, típicamente 0.5-25 MHz) hacia el material mediante un transductor. Estas ondas se propagan a través del material y son reflejadas por las discontinuidades internas (grietas, inclusiones, poros, delaminaciones) o por las superficies del objeto (eco de fondo). Analizando los ecos recibidos (amplitud, tiempo de llegada), se pueden detectar, localizar y dimensionar los defectos.
• Radiografía Industrial (RT – Rayos X y Rayos Gamma γ): se utiliza radiación ionizante penetrante (Rayos X generados por un tubo o Rayos Gamma emitidos por un isótopo radiactivo) que atraviesa la pieza y es registrada en una película radiográfica o un detector digital. Las zonas con menor densidad o espesor, o la presencia de defectos internos (como poros o inclusiones menos densas), permiten que pase más radiación, apareciendo como indicaciones más oscuras en la radiografía (si es negativo) o más claras (si es positivo).