ASSAIG DE MATERIALS

Introducció a l'assaig de materials

Els assajos són uns procediments normalitzats que permeten conèixer i mesurar les propietats dels materials, els defectes dels productes elaborats i la resposta que presenten sota determinades condicions de treball.

Els assajos destructius consisteix en aplicar un esforç màxim que pot suportar el material sens trencar-se, i s'han de realitzar en mostres que es diuen provetes. Els més importants són de tracció duresa, resilència i fatiga.

Els assajos no destructius són els que no trenquen, deformen o marquen el material, i es realitzen sobre la mateixa peça que haurà de ser muntada.

Assajos de tracció

Proporciona molta informació sobre la resistència mecànica dels materials. Consisteix a sotmetre unes provetes, de formes i dimensions normalitzades, a esforços de tracció que produeixen deformacions en forma d'allargaments, fins que es trenquen.

Màquina per l'assaig de tracció Dibuix acotat d'una proveta

Els resultats de l'assaig s'enregistren en un gràfic anomenat diagrama de tracció, i recull els valor d'allargament segons l'esforç. Però s'utilitzen valors corresponents a l'esforç unitari:

F σ = Esforç unitari en N/mm2.

σ = F = Força aplicada en N.

Ao Ao = Secció inicial de la proveta en mm2.

S. I pascal (Pa)

1 newton (N) 1 newton (N)

1 pascal (Pa) = 1 megapascal (Mpa) = = 106 pascal

1 m2 1mm2

L'allargament unitari es produeix quan tenim dos provetes de diferents longituds, i en la més llarga hi haurem d'aplicar més esforç que en l'altra.

ΔL ε = Allargament unitari (sense unitats, però es pot en %).

ε = ΔL = Allargament en mm.

Lo Lo = Llargària calibrada (inicial de la proveta) en mm.

Diagrama de tracció

S'utilitza per determinar les característiques mecàniques dels materials i es realitza a partir dels assajos de tracció.

Diagrama de tracció

Zona elàstica

Les deformacions són elàstiques, la gràfic en aquesta zona és una recta indica que hi ha una proporció fixa entre l'esforç aplicat i l'allargament obtingut.

Aquesta proporció fou descoberta per Robert Hooke i es coneix com la llei de Hooke. El mòdul elàstic o Mòdul de Young és el valor de la constant de proporcionalitat, i es característic per a cada material.

Σ E = mòdul elàstic o mòdul de Young en N/mm2.

Llei de Hooke E = σ = Esforç unitari en N/mm2.

Ε ε = Allargament unitari.

El valor del mòdul elàstic es igual a la rigidesa del material.

Límit elàstic

És l'esforç unitari màxim que pot suportar un material sense que es deformi de manera permanent. L'esforç unitari màxim que es utilitzat en dissenys d'una peça es coneix com la tensió màxima de treball. I es calcula:

σe σe = Límit elàstic del material.

σt = σt = Tensió màxima de treball.

n n = Coeficient de seguretat

Zona plàstica

Quan sobrepassa el límit elàstica a més esforços, augmenta la deformació i sempre serà de caràcter permanent. Com més plàstic es un material més llarga és la zona.

Resistència o càrrega de trencament

És el valor de l'esforç a partir del qual començarà el trencament de la peça, encara que el baixem. En la gràfica a partir d'aquest punt es continua deformant amb esforços menors fins que es trenca. Com més dúctil és un material, més llarga té la zona.

Allargament

En l'assaig de tracció, la deformació del material sempre és un allargament. Hi ha un valor particular que es el que ha experimentat la mostra just en el moment de trencar-se. I s'expressa:

Lf - Lo ε = Allargament en %.

ε % = · 100 Lf = Llargària final en mm.

Lo Lo = Llargària inicial o calibrada en mm.

Assajos de duresa

L'escala de Mohs : 1.Talc; 2.Guix; 3.Calcita; 4.Fluorita; 5.Apatita; 6. Feldespat; 7.Quars; 8.Topazi; 9.Corindó; 10.Diamant.

Assajos de duresa al ratllat

Hi ha l'escala de Mohs i l'assaig Martens.

L'assaig Martens consisteix en ratllar una proveta amb un diamant que té forma piramidal i un vèrtex amb un angle de 90º. La ratllada es produeix quan s'aplica un pes constant al damunt del diamant, i després es mesura l'amplada de la ratlla.

Si l'amplada de la ratlla es mesura en micròmetres, la duresa Martens es calcula:

10.000 DM = Duresa Martens.

DM = L = Amplada de la ratlla en micròmetres (μm).

L2

Esquema de l'assaig Martens

90º

El diamant es desplaça sobre la proveta i

deixa una marca en forma de ratlla

Amplada de la ratlla

Assajos de duresa a la penetració

S'utilitzen 4, en tots es col·loca un element molt dur anomenat penetrador sobre la superfície del material a assajar i se li aplica una càrrega durant un temps determinat. I estan normalitzats.

L'assaig Brinell

Utilitza un penetrador d'acer dur en forma de bola. El grau de duresa en aquest cas s'anomena duresa Brinell, s'obté amb l'expressió:

F HB = Grau de duresa Brinell en kp/mm2.

HB = F = Càrrega aplicada a la bola en Kp.

A A = Superfície de la marca deixada sobre la proveta (mm2).

El valor de la superfície s'obté:

π · D [D - D2 - d2] D = Diàmetre de la bola en mm.

A = d = Diàmetre de la marca en mm.

2

Normalment, el valor HB s'obté en condicions:

Diàmetre bola en mm

Càrrega 3.000 kp.

Temps: 15s.

Marca (vista superior)

Esquema de l'assaig Brinell

En els materials tous s'utilitzen càrregues més petites i provetes amb poca gruixura i penetradors de menys diàmetre.

L'assaig Vickers

S'utilitza un penetrador de diamant en forma de piràmide de base quadrada. Quan es treu es mesura la superfície que està marcada en la proveta. El grau de duresa, que en aquest cas s'anomena duresa Vickers, s'obté amb l'expressió:

F HV = Grau de duresa Vickers en kp/mm2.

HV = F = Càrrega aplicada en kp.

A A = Superfície de la marca sobre la proveta en mm2.

La superfície es calcula amb:

d2

A = d = Valor mitjà de les dues diagonals de la marca en mm.

1,854

136º Esquema de l'assaig Vickers

Marca (vista superior)

Per mesurar les diagonals es fan servir microscopis, però per no fer càlculs hi ha gràfics que permeten obtenir directament la HV amb la càrrega aplicada i el valor mitjà de les diagonals.

Aquest mètode esta normalitzat, hi ha dos variables que s'han d'ajustar: 1ª - La càrrega aplicada. 2ª - El temps de duració. Els més utilitzats són els de 30 kp i 15 s.

La duresa es dona en format: XX HV (F, T). XX Grau de duresa Vickers.

F Càrrega aplicada en kp.

T = Temps d'aplicació en s.

L'assaig Knoop

Utilitza un penetrador de diamant en forma de piràmide de base romboïdal. La duresa es calcula en funció de la superfície de la marca segons:

F L2

HK = A =

A 14,2

HK = Duresa Knoop en kp/mm2.

F = Càrrega aplicada en kp.

A = Superfície de la marca en mm2.

L = Llargària de la diagonal major de la marca en mm.

L'assaig Rockwell

Es realitza en dos tipus de penetradors:

• Bola d'acer per a materials tous.

• Diamant en forma de con per a materials durs.

Els valors recollits, en unes escales, les quals es seleccionen segons el material que sigui i dels gruix de la peça. El valor obtingut, no s'obté a partir de la superfície de la marca deixada sinó de la fondària de la penetració.

L'assaig es realitza en 3 fases:

Es posen 10 kp al sobre.

Sense treure la càrrega es posen 90 kp més per arribar a la normalització.

Es treu la càrrega, quedant-se només en la inicial.

El valor de la duresa s'obté:

L

Per al penetrador de bola: HR = 130 -

0,002

L = Fondària de penetració en mm. L

Per al penetrador de con de diamant: HR = 100 -

0,002

Els valors de dures Rockwell s'expressen amb el format: XX HRYY

XX = Valor de duresa Rockwell obtingut.

YY = Designació de l'escala utilitzada.

Assajos de duresa al rebot

L'assaig Shore consisteix en mesurar la duresa d'un material a partir de l'alçària del rebot d'un objecte dur que cau sobre el material que es vol assajar.

S'utilitza un escleròmetre o escleroscopi Shore que consta d'un tub amb una escala graduada del 0 al 40 per on llisca un martell, que partint d'un alçària de 254 mm, impacta contra el material i rebota en sentit ascendent fins l'alçària de rebot. Com més gran es l'alçària, més dur es el material. El martell consisteix en un cilindre d'acer amb un punta de diamant arrodonida.

Relació entre la duresa i la resistència a la tracció

És una manera de compara els valors de duresa obtinguts amb els diferents mètodes, ja que podem saber d'una manera senzilla el nivell de resistència sense haver de realitzar l'assaig de tracció.

En el cas dels acers s'utilitza la relació següent:

R (N/mm2) = 3,45 HB

La resistència al trencament per tracció d'un acer és 3,45 vegades el valor de duresa de Brinell.

Assajos de resilència, fatiga i tecnològics

Assajos de resilència

Un material pot anomenar-se quan posseeix una bona resistència a la tracció juntament amb un valor elevat d'allargament.

Hi ha dos tipus d'assajos: el pèndol de Charpy i el d'Izod.

L'assaig de Charpy consisteix en un pèndol de 22 kg al seu extrem. Que es deixa caure des de una alçària fixa h, i impacta contra la proveta, i es trenca i el pèndol continua el seu recorregut. La diferència d'alçàries és directament proporcional a la resilència.

Les provetes porten una entalla de 2mm en forma de “V”, i així es trenca pel punt desitjat. També estan normalitzades.

Els valors de residència s'expressen:

Ec

K =

A

K = Valor de la resilència del material en J/mm2.

Ec = Energia cinètica consumida en el trencament de la proveta en J.

A = Secció de trencament de la proveta en mm2.

Assajos de fatiga

Són esforços constant estàtics que es pot observar el comportament per l'assaig de tracció i duresa.

Els esforços de fatiga, són esforços que alternen el seu sentit d'aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cíclica en el temps.

En els assajos de fatiga es vol reproduir les condicions de treball reals dels materials. El més usat es sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa seguint un cicle que es va repetint en el temps.

El següent gràfic, són els resultats de l'assaig que representats en el gràfic que es coneix com a Corba S-N o Diagrama de Wöhler.

Les corbes S-N defineixen dos valor importants:

Resistència a la fatiga: valor de l'amplitud de l'esforç que provoca el trencament del material després d'un nombre determinat de cicles.

La vida a la fatiga: és el nombre de cicles de treball que pot suportar un material per a una determinada amplitud de l'esforç aplicat. Es representa Nf.

Hi ha dos maneres de comportar-se un material davant la fatiga: aquells que sempre acaben trencant-se i aquells que si no superem un determinat valor de l'amplitud de l'esforç aplicat no es trenquen. El límit de fatiga és el màxim valor de l'amplitud de l'esforç a aplicar perquè no es trenqui en un nombre infinit de cicles.

Assajos tecnològics

Per determinar l'aptitud dels metalls en ser sotmesos als processos de conformació es practiquen diferents assajos, com: assaig de plegatge, assaig d'embotició, assaig de punxonat.

Assaig de plegatge

Consisteix a sotmetre una proveta allargada a un esforç de flexió constant, lent i en un sol sentit.

La proveta, per efecte de l'esforç es plega. La part externa pateix una tracció i la part interna una compressió. Al final es controlen els resultats observant l'aparició d'esquerdes en la part exterior.

Hi ha dos procediments:

• Plegar fins a un angle determinat i observar si hi ha esquerdes.

• Plegar fins l'aparició de les primeres esquerdes i anotar el valor de l'angle.

El valor de l'angle de plegatge on han començat a aparèixer les esquerdes es considera com un índex de qualitat del metall.

Esquema de l'assaig de plegatge

F e

Proveta

α

Assaig d'embutició

Consisteix a forçar la deformació d'una làmina de metall obligant-la a entrar dins una matriu mitjançant l'acció d'un punxó o una contramatriu.

L'assaig està normalitzat. Com que la profunditat de l'embutició depèn del gruix de la làmina, la relació entre una i l'altre es coneix com a índex Erichsen o de qualitat.

Profunditat de la penetració del punxó

Índex Erichsen =

gruix de la capa

Esquema de l'assaig d'embotició

Material	Índex Erichsen per a xapa d'1 mm
Acer	12
Acer inoxidable	13,80
Alumini (amb 4% de Cu)	11,40
Llautó	14,60
Coure (electrolític recuit)	11,80

Assaig de punxonat

Consisteix a foradar o retallar peces de formes diverses d'una xapa metàl·lica.

Les peces es tallen mitjançant un punxó sobre la xapa. S'utilitza per determinar la resistència al tall de xapes.

L'assaig es fa amb un punxó cilíndric d'acer trempat. La xapa es posa damunt una matriu amb forat de secció de tronc de con per on penetrarà el punxó un cop hagi tallat la xapa. S'aplica una força al punxó i quan la forada es pren notat i el calcula la resistència al punxonat. S'expressa amb:

F

σ =

π · d · e

σ = resistència al punxonat en N/mm2.

F = força aplicada al punxó en N.

d = diàmetre del punxó en mm.

e = Gruix de la xapa en mm.

Esquema de l'assaig de punxonat

Assajos no destructius

No deixen marques i s'apliquen a peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a primera vista, per això s'anomenen de defectes.

Els defectes interns poden ser, entre d'altres: fissures, esquerdes, porus, inclusions, etc. En definitiva, qualsevol alteració greu de l'estructura interna d'un material que fa que aquesta deixi de ser homogènia.

Per detectar els defectes es fan servir els assajos que veurem a continuació:

Assajos magnètics

S'aplica un camp magnètic a la peça que es vol assajar, si no té defectes la seva estructura interna es homogènia, i la permeabilitat magnètica serà constant en tota la seva extensió. Però si hi ha algun defecte, la seva estructura interna no és homogènia i es provoca una variació localitzada de la permeabilitat magnètica que desvia les línies de força del camp magnètic.

La desviació de les línies de força que informen de la presència d'un efecte pot ser:

• Detecció òptica amb assaig magnetoscòpic. S'utilitza oli mineral amb partícules de ferro en suspensió que s'orienten seguint la direcció de les línies de força.

Pols magnètics

Peça que s'examina

Nucli

magnètic

• Detecció acústica amb assaig magnetoacústic. Es fa lliscar un captador per una superfície de la peça i amb un auricular es detecten els defectes. El captador consta de dues bobines, una de les bobines genera un camp magnètic i l'altra detecta el flux magnètic generat per la primera.

• Detecció elèctrica amb assaig electromagnètic. És semblar a l'anterior, canvia el fet que el camp magnètic és produït per un corrent elèctric molt intens.

Assajos per raigs X i raigs gamma

S'utilitza quan el material no és ferromagnètic. La solució és la utilització de raigs X o raigs gamma (γ). Aquestes radiacions es caracteritzen per:

• Desplaçar-se en línia recta a la velocitat de la llum.

• No ser desviades per camps elèctrics ni magnètics.

• No canviar de direcció.

• Impressionar plaques fotogràfiques.

Consisteix en fer travessar la radicació per la peça i que arribi a impressionar en una placa fotogràfica. Però no totes les substàncies absorbeixen aquestes radiacions en la mateixa mesura.

Si no hi ha defectes en la placa fotogràfica quedarà impressionada de manera uniforme, però si hi ha defecte en la placa fotogràfica hi haurà alguna zona més o menys clara.

L'aparell generador de raigs x és molt voluminós i més car que no el de raigs γ.

Esquema de l'assaig per raigs X o γ

Assajos per ultrasons

Consisteix en la utilització dels ultrasons: ones de pressió o sonores de freqüència superior a la màxima audible per l'oïda humana.

Els ultrasons es propaguen en línia recta i a gran velocitat. Es propaguen perfectament pels sòlids, força bé pels líquids i amb dificultat pels gasosos. En el buit no es propaguen.

Per generar i detectar ultrasons s'utilitzen cristalls de quars, el cristall vibra i emet ultrasons. També es reversible, quan arriben ultrasons al cristall, apareix una tensió elèctrica entre les seves cares oposades. Els ultrasons detectat són convertits en un senyal elèctric per visualitzar-se en una pantalla.

El generador emet els ultrasons en forma d'impulsos de curta durada. Quan arriben a la cara oposada de la peça, són reflectits i captats pel detectors. Si no hi ha cap defecte, a la pantalla apareixen dos polsos corresponents al so de sortida i a l'eco de tornada. Si existeix un defecte, part de l'ona es reflecteix en aquest i arriba abans al detector: a la pantalla apareixen tres polsos.

35

A l'equip electrònic

Defecte

Emissor Receptor

Peça

Assaig d'una peça sense defectes Assaig d'una peça amb defectes

Generador de raigs X o γ

Pantalles de plom

Peça que s'examina

Placa fotogràfica

Defecte

Auriculars

330 V Moviment

Peça que s'examina

Defecte

Punxó

Estampa o matriu

d Proveta

Subjectador

de la proveta e

Punxó

Estampa o matriu

S -Amplitud de l'esforç S - Amplitud de l'esforç

S1

Límit de

Fatiga R a la fatiga

per a N1 cicles

103 104 105 106 107 108 109 Nº cicles 103 104 105 106 107 108 109 Nº de cicles

10000

10 Diamant

5000

2000

Acers nitrutats 9 Corindó

1000 1000 80 8 Topazi

800 60 Eines de tall

600 500 110 Llima dura 7 Quars

400 40

300 200 60 6 Ortòclasi

20 Acers de 5 Apatita

200 40 0 mecanització

100 Rockwell fàcil 4 Fluorita

100 20 3 Calcita

Knoop 50 0

Rockwell Llautons i aliatge d'alumini

20 2 Guix

10

Molts plàstics

5

Duresa Brinell

• Talc

Duresa Mohs

Dolla superior

Tub de vidre

Martell

Dolla inferior

Proveta

Fase 1 Fase 2 Fase 3

120º 10 kp 10 + 90 = 100 kp 10 kp

10 kp 10 + 90 = 100 kp 10 kp

Fase 1 Fase 2 Fase 3

Proveta

Força

Marca

(vista superior)

l

Penetrador

d1

d2

Penetrador

d

Penetrador

D

Proveta

Proveta

Proveta

σ

Esforç unitari Zona de reducció

(N/mm2) de la secció

R Resistència al trencament

σe Límit elàstic mesurat

Límit elàstic teòric

ε = 0,2 %

ε Allargament unitari

Zona elàstica Zona plàstica

Capçal mòbil

214

100

Sensor

d'allargament Proveta Ǿ 20

Moviment

Capçal fix

Sensor de càrrega