Tecnología de los Materiales

Tratamientos Térmicos y Ensayos de los Metales.

Fecha de Entrega:

Jueves 18 de Junio

Índice.

Introducción.......................................................................................................3

Tratamientos Térmicos del Acero......................................................................4

Recocido............................................................................................................4

Normalizado.......................................................................................................6

Temple...............................................................................................................6

Revenido............................................................................................................9

Tratamientos en los que hay un cambio de composición.................................12

Ensayos Mecánicos Destructivos.....................................................................13

Ensayo de compresión.....................................................................................13

Ensayo de fatiga...............................................................................................17

Ensayo de dureza.............................................................................................19

Ensayo de Dureza Brinell..................................................................................20

Ensayo de dureza Rockwell..............................................................................22

Ensayo de Traccion...........................................................................................27

Ensayo de Torsión............................................................................................34

Ensayo de Cizallamiento...................................................................................36

Ultrasonido........................................................................................................37

Radiografia........................................................................................................39

Termografia Infrarroja........................................................................................40

Inspección por Partículas Magnéticas...............................................................42

Analisis de Vibraciones......................................................................................44

Jominy................................................................................................................46

Conclusión.........................................................................................................47

Bibliografía.........................................................................................................48

Introducción.

los aceros son unos de los materiales más utilizados en la industria, dentro del proceso de producción de estos se realizan diferentes tratamientos térmicos para mejorar las propiedades del material. Tratamientos como el temple, revenido, normalizado, etc. son necesarios para poder obtener un acero adecuado para los distintos usos. A su vez dentro de este contexto encontramos a los ensayos destructivos y no destructivos, que son parte fundamental de la industria para poder comprobar las propiedades del material, estos ensayos son de fácil aplicación y de bajo costo, y nos permiten tener una idea rápida y concreta acerca del material que se esta poniendo a prueba.

Los tratamientos térmicos son combinaciones de calentamiento y enfriamientos a tiempos determinados aplicados a un metal o aleación en estado sólido con el fin de modificar propiedades de acuerdo a las condiciones de uso. Los tratamientos térmicos tienen como objetivo el estudio del efecto de la composición, temperatura, tamaño de grano y atmósfera del horno de calentamiento, sobre la microestructura y dureza de los aceros.

Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para los aceros incluyen la transformación o descomposición de la austerita. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero.

El primer paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar austenita. En la mayoría de los casos, la rapidez de calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que otros factores en el ciclo de tratamiento térmico. Los materiales altamente forzados producidos por trabajado en frío deben calentarse mas lentamente que los que se haya libres de esfuerzos para evitar distorsión. Se puede considerar la diferencia en temperatura que tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artículos de sección transversal variable y, siempre que sea posible, se debe tomar alguna medida para ser más lento el calentamiento de las secciones más delgadas, de tal modo que sea posible minimizar el esfuerzo térmico y distorsión. Por lo general se hará menos daño al acero al utilizar una rapidez de calentamiento tan lenta como sea práctico.

Tratamientos Térmicos del Acero.

Los tratamientos térmicos tienen como objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal.

El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

Tratamientos térmicos más usados.

Los tratamientos térmicos más usados son:

-Recocido

-Temple

-Normalizado

-Revenido

-Cementación

-Nitruración

-Temple en baños de sales

-Temple en baños de plomo

Recocido:

Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos con austenización completa, recocidos subcríticos y recocidos con austentización incompleta.

Recocidos de austenización completa o de regeneración.- En este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.

Recocidos subcríticos.- El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior, no teniendo tanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan las tensiones del material y se aumenta si ductilidad.

Se pueden distinguir tres clases de recocidos subcríticos:

De ablandamiento

Contra acritud Globular

Recocido de ablandamiento.- Su principal objeto es ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no se suelen obtener las menores durezas, pero en muchos casos las que se consiguen son suficientes para mecanizar perfectamente los materiales.

El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la critica Ac1, sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que se obtienen en ciertos aceros de herramientas y de construcción, de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado.

Recocido contra acritud.- Se efectúa a temperaturas de 550° a 650°, y tiene como objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenido en carbono ( menos de 0.40%) estriados en frío. Con el calentamiento a esta temperatura, se destruye la cristalización alargada de la ferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.

Recocido subcrítico globular.- En ocasiones para obtener en los aceros al carbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, en cierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido se les somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a la crítica Ac1, debiendo luego enfriarse el acero lentamente en el horno.

Recocidos de austenización incompleta (globulares).- Son tratamientos que se suelen dar a aceros al carbono aleados, de más de 0.50% de carbono, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consisten en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y la inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se persigue con estos recocidos es obtener la menor dureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de las piezas.

Por medio de estos tratamientos se consigue con bastante facilidad en los aceros hipereutectoides que la cementita y los carburos de aleación adopten una disposición más o menos globular que da para cada composición una dureza muy inferior a cualquier otra microestructura, incluso la perlita laminar.

Unas veces se hace el recocido empleando un ciclo oscilante de temperaturas que son unas veces superiores y otras inferiores a Ac1. Otras veces (que suelen ser mayoría) se emplean temperaturas ligeramente superiores a Ac1. Al primero de estos tratamientos se le suele simplemente llamar recocido globular oscilante y al segundo se le llama simplemente recocido de austenización incompleta.

En los aceros hipoeutectoides es algo más difícil obtener estructuras globulares, que por otra parte no tienen en general tanto interés como en los aceros hipereuctoides. Sin embargo con permanencias prolongadas y oscilaciones de temperatura se consigue también en los aceros de bajo contenido en carbono esas estructuras. Recientemente se ha comenzado a exigir estructuras globulares en numerosos aceros de construcción y de baja aleación. Un caso típico es un acero al carbono para tornillería que es roscado para ser laminado en frío.

Normalizado:

Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más elevada a la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De esta forma, se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos, y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado, se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero. Se emplea casi exclusivamente para los aceros de construcción al carbono o de baja aleación.

Temple:

En metalurgia e ingeniería, proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del acero con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto terminado. Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900°C y enfriándolos rápidamente en aceite o agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento. La temperatura se determina con un instrumento conocido como pirómetro; en el pasado se hacía observando el color de la capa de óxido que se formaba sobre el metal durante el calentamiento.

Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros llamada templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

El término temple también se utiliza para describir un proceso de trabajo en frío que aumenta la dureza del metal, sobre todo en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos.

El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a esta temperatura y enfriamiento rápido. El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transformen en cristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriado rápidamente se transforma en martensita, estructura que da la máxima dureza a un acero hipoeutectoide.

Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita.

La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga el acero. De acuerdo con un diagrama de nombre Hierro Carbono se distingue una zona llamada hipoeutectoide a la cual pertenecen los aceros de porcentajes de carbono inferiores al 0,83% hasta 0,008% y otra superior a estas de nombre hipereutectoide.

Temperatura de temple o de austenizacion.

En el caso de los aceros hipoeutectoides la temperatura de austenización recomendada es de unos 30 grados Celsius por encima de su temperatura critica superior, Ac3. Esta temperatura es la misma que se indica para otro tratamiento térmico como es el recocido. Si el calentamiento se produce a temperaturas inferiores a A3, quedará sin transformarse cierta cantidad de ferrita proeutectoide; la cual después del temple, dará origen a la existencia de puntos blandos y una dureza menor.

En los ordinarios de carbono hipereutectoides, la temperatura de austenización se encuentra normalmente las líneas Acm y A3 ( como se demuestra en el diagrama de hierro carbono ) La línea Acm tiene una pendiente tan pronunciada, que para que se disuelva toda la cementita proeutectoide, se requiere temperaturas muy elevadas con el consiguiente desarrollo del tamaño de grano austenítico y la formación de una fase grosera y perjudicial que puede dar origen a la aparición de grietas en el enfriamiento.

Homogeneidad de la asutenita.

Al hablarse de homogeneidad de la austenita, se refiere a la uniformidad que presentan los granos de austenita en cuanto al contenido de carbono. Si se calienta un acero tipo hipoeutectoide a la temperatura de temple,, cuando por el calentamiento el acero atraviesa la línea AC1, los granos de austenita formados por transformación de la perlita, contendrán 0,8% de carbono. Al proseguir el calentamiento, la ferrita proeutectoide se disolverá y los granos de austenita formados contendrán muy poco carbono por lo que, cuando se atraviesa la línea Ac3 el contenido de carbono de los granos de austenita no será igual en todos ellos. En el Temple los granos de austenita más pobres en carbono, como tienen una velocidad critica de temple elevada, tenderán a transformarse en estructuras no martensíticas; mientras que los de mayor contenido de carbono, al tener una velocidad critica de temple pequeña, se transformaran en martensítica. Lo anterior da lugar a que la micro estructura formada no sea uniforme y posea una dureza variable. Este inconveniente puede evitarse calentando el material muy lentamente, con lo cual el carbono tiene suficiente tiempo para difundir, obteniéndose una micro estructura uniforme. Pero debido a la excesiva duración de este proceso, hace que no sea aplicable industrialmente. Un proceso que resulta más adecuado, consiste en mantener el material en cierto tiempo a la temperatura de austenización, ya que a dicha temperatura el carbono se difunde más rápidamente y las uniformidades logran al cabo de un breve periodo de tiempo. Sin embargo, como se estableció para el recocido, para tener la seguridad que el carbono sea difundido totalmente, es recomendable mantener el material a la temperatura de austenización una hora por pulgada de diámetro o espesor.

Martensita.

Los aceros con alto contenido de carbono pueden asumir tres estructuras. El arreglo centrado en las caras tiene átomos de carbono (esferas oscuras) entre los de hierro. A altas temperaturas el carbono se disuelve en el hierro (austenita). Si el material se enfría lentamente, los carbonos ya no caben y los cristales cambian una estructura cúbica centrada en el cuerpo (ferrita), en cambio, si se enfría rápidamente (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en los intersticios y los cristales resultan ser tetragonales centrados en el cuerpo (martensita) que son más duros que la ferrita.

 

Red cristalina de la fase martensita del acero. El carbono queda atrapado en una posición donde no cabe en la red cúbica centrada en el cuerpo, produciéndose así una distorsión elástica

Es un constituyente típico de los aceros templados, se admite que esta formada por una solución sólida sobresaturada de carbono o hierro alfa

Se obtiene enfriando rápidamente los aceros

Tienen una resistencia de 170 a 250 kg/mm2

Una dureza de 50 a 60 Rockwell

Alargamiento 2.5 a 0.5 %

Es magnético

Martensita fue dado por Osmond en honor de Martens.

Medio de Temple.

A la vista del mecanismo de disipación de calor, el medio de temple ideal sería aquel que fuera capaz de comunicar inicialmente al acero una velocidad de enfriamiento superior a la critica de tal forma que no haya posibilidad que se realice transformación en la zona correspondiente a la nariz perlítica del diagrama T-I, y después en la zona de temperaturas inferiores, una velocidad de enfriamiento pequeño para que no aparezcan deformaciones. Desgraciadamente no existe medio alguno que presente estas propiedades ideales.

Así, en el agua y en las soluciones acuosas de sales inorgánicas se logran las etapas 1 y 2 velocidades iniciales de enfriamiento elevadas, pero lamentablemente estas se mantienen durante el enfriamiento a bajas temperaturas con el consiguiente peligro que aparezcan grietas y deformaciones. En los aceites de temples normales, la etapa 1 o de enfriamiento por capa de vapor es más larga, mientras que la 2 es más corta, siendo la velocidad de enfriamiento menor.

Los distintos medios de temple utilizados en la industria ordenados en función de la severidad de temple de mayor a menor, son los siguientes:

-Solución acuosa con 10% de cloruro sódico (salmuera)

.Agua corriente

-Sales liquidas o fundidas

-Soluciones acuosas de aceite sulfonado

-Aceite

-Aire

Revenido.

Los aceros, después del proceso de temple, suelen quedar frágiles para la mayoría de los usos al que van a ser destinados. Además, la formación de martensita da lugar a considerables tensiones en el acero. Por lo cual, las piezas, después del temple son sometidas casi siempre a un revenido, que es un proceso que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura crítica Ac1. el objetivo del revenido es, eliminar las tensiones internas del material y aumentar la tenacidad y ductilidad del acero, aún cuando este aumento de ductilidad se logre normalmente a costa de una disminución de la dureza y de la resistencia.

En general, se puede decir que, dentro del amplio intervalo de temperaturas de revenido, a medida que aumenta la temperatura disminuye la dureza y aumenta la tenacidad. Sin embargo, lo último es verdad cuando la tenacidad se determina en función de la estricción de una probeta de tracción, por que cuando se mide en función de la resiliencia, no ocurre lo mismo.

En la mayor parte de los aceros cuando la temperatura de revenido está comprendida entre 204º y 426ºC, la resiliencia, aunque simultáneamente disminuyen también la dureza y la resistencia.

La temperatura de revenido varía con el tipo de acero y el empleo y tipo de solicitaciones que haya de soportar la pieza. De una manera general cabe indicar los intervalos siguientes:

- Aceros de cementación..........................................................140º a 200ºC

-Aceros de herramientas..........................................................200º a 300ºC

-Aceros para temple y revenido................................................350º a 650ºC

-Aceros rápidos.........................................................................550º a580ºC

La duración del revenido es de gran importancia para que las transformaciones deseadas puedan producirse con seguridad. Generalmente es de 1 a 3 hrs. Los instrumentos de medida, calibres, patrones, galgas, etc. se revienen durante mucho más tiempo, pudiendo alcanzar las duraciones necesarias, en muchos casos, hasta 24hrs.

Los revenidos pueden ser homogéneos y heterogéneos:

-Homogéneos: la pieza en su totalidad esta a una temperatura uniforme, se realiza después del temple, con baños de aceite, sales, hornos de circulación de aire y de recocido, cuando las temperaturas son altas. Estas se usan en piezas de construcción, de fabricación en serie y herramientas.

-Heterogéneo: la pieza es sometida a diferentes temperaturas de revenido en diferentes partes; para que sea esto correcto la temperatura ha de estimarse generalmente sobre la base de los colores del revenido. Se emplean 2 procedimientos:

Auto revenido: se sumerge en el medio de temple la superficie de trabajo, se la esmerila brillante, con rapidez, después de extraerla del baño

Revenido externo: se caliente la pieza templada de manera parcial y no uniforme

Revenido por inducción.

El revenido por inducción consiste en conseguir los mismos efectos metalúrgicos que el revenido en un horno convencional pero con temperaturas más altas y tiempos más cortos. Las temperaturas de revenido normalmente utilizadas en inducción son del orden de 200 a 400ºC. Los tiempos de calentamiento en el revenido por inducción están muy relacionados con la geometría de la pieza, es muy importante que toda la zona a revenir se encuentre a la misma temperatura, en consecuencia, en piezas de geometría simple, los tiempos de revenido suelen ser inferiores a los de piezas más complicadas. Al final del calentamiento por inducción, la pieza suele enfriarse al aire hasta una temperatura aprox. de 100ºC, por debajo de esta temperatura el proceso de revenido esta completado, luego el enfriamiento suele acelerarse mediante ducha o inmersión en un liquido.

Objetivos del Revenido.

Modifica las propiedades mecánicas: el acero que ha sido templado es muy resistente pero tiene poca ductilidad y tenacidad, pero si se vuelve a calentar a temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 700ºC, y luego se enfría al aire, la dureza y la resistencia a la tracción disminuyen a medida que se eleva la temperatura del revenido y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad. La resiliencia o resistencia al choque, aumenta notablemente cuando el revenido se hace a temperaturas mayores que 450ºC.

Modifica las propiedades físicas: loa aceros por efecto de las transformaciones que experimentan en el revenido, en general se contraen pero también se

dilatan.

Modifica las propiedades químicas: Estas modificaciones se deben a cambios de microestructuras que se descomponen de la martensita que se obtiene en el temple y que se transforma en otros constituyentes mas estables.

Doble revenido.

Con el doble revenido se aumenta el rendimiento de las herramientas fabricadas con aceros rápidos y aceros de alto contenido en cromo, con esto se logra disminuir las tensiones internas antes de poner las herramientas en servicio, el acero se calienta a 550ºc aprox. Con esto la martensita queda revenida. La microestructura es uniforme y esta constituida por martensita revenida y en los aceros rápidos en la microestructura se presentan carburos complejos sin disolver.

Tratamientos isotérmicos de los aceros.- reciben este nombre ciertos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezas no se hace de una forma regular progresiva, sino que se interrumpe o modifica a diversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material a temperatura constante durante ciertos intervalos, en los que permanece el material a temperatura constante durante un tiempo, que depende de la composición del acero, de la masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener.

Austempering o transformación isotérmica de la austenita en la zona de 250°-600°.- Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y luego enfriarlo rápidamente en plomo o sales fundidas, a temperaturas comprendidas entre 250° y 600°, permaneciendo el acero en el baño a esta temperatura durante el tiempo suficiente para que se verifique la transformación completa de la austenita en otros constituyentes a temperatura constante. Un tratamiento de esta clase, denominado “patenting”, se aplica desde hace mucho tiempo para la fabricación de ciertos alambres de alta resistencia, que se conocen generalmente con el nombre de “cuerda de piano”.

En este caso el enfriamiento se suele hacer en baño de plomo, quedando el acero con una tenacidad y ductilidad excepcionales.

Martempering.- Es un tratamiento que ha comenzado a desarrollarse también muy recientemente. Es un temple escalonado en el que el material caliente, a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, se enfría en un baño de sales, también caliente, a temperaturas comprendidas entre 200° y 400°, permaneciendo en él las piezas durante un tiempo que debe controlarse cuidadosamente y que debe ser suficiente para que iguale la temperatura en toda la masa, antes de que en ninguna parte de ella se inicie la transformación de la austenita, y luego se enfría al aire. De esta forma se consigue que la transformación de toda la masa del acero se verifique casi al mismo tiempo, evitándose desiguales y peligrosas dilataciones que ocurren en los temples ordinarios, en los que las transformaciones de las distintas zonas del material ocurren en momentos diferentes.

Recocidos isotérmicos.- Son tratamientos de ablandamiento que consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior o inferior según los casos (generalmente de 740° a 880° ) y luego enfriar hasta una temperatura de 600° - 700°, que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita y finalmente, se enfría al aire. Este tratamiento es muy rápido y se obtienen durezas muy bajas. El calentamiento se suele hacer con austenización completa en los aceros hipoeutectoides y austenización incompleta de los aceros hipereutectoides. En cierto modo estos tratamientos pueden considerarse como casos particulares de los recocidos de austenización completa e incompleta.

Temple superficial.- Recientemente se ha desarrollado este procedimiento en el que se endurece únicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento s puede hacer por llama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudiéndose regular en ambos casos perfectamente la profundidad del calentamiento y con ello la penetración de la dureza. Una vez conseguida la temperatura del temple, se enfría generalmente en agua.

Tratamientos en los que hay un cambio de composición.

En esta clase de tratamientos, además de considerar el tiempo y la temperatura como factores fundamentales, hay que tener también en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Estos tratamientos se suelen utilizar para obtener piezas que deben tener gran dureza superficial para resistir el desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Los tratamientos pertenecientes a este grupo son:

Cementación.- Por medio de este tratamiento se modifica la composición de las piezas, aumentando el contenido en carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una grn dureza superficial.

Cianuración.- Es un tratamiento parecido a la cementación, en el que el acero absorbe carbono y nitrógeno en la zona superficial, quedando luego esa zona periférica muy dura después de un temple final.

Sulfinización.- Es un tratamiento que se da a los aceros a 565°C aproximadamente en baño de sales de composición especial y que se mejora extraordinariamente la resistencia al desgaste. Esa mejora se consigue por la incorporación de azufre a la superficie de las piezas de acero sin que con ello se aumente mucho la dureza.

Nitruración.- Es un tratamiento de endurecimiento superficial a baja temperatura, en el que las piezas de acero templadas y revenidas al ser calentadas a 500° n contacto con una corriente de amoníaco, que se introduce en la caja de nitrurar, absorber nitrógeno, formándose en la capa periférica nitruros de gran dureza, quedando las piezas muy duras sin necesidad de ningún otro tratamiento posterior.

Ensayos Mecánicos Destructivos.

Ensayo de compresión.

El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo.

El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico.

En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al límite de proporcionalidad.

Probetas para compresión de metales

En los ensayos de compresión, la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas.

El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al pandeo. 

Determinaciones a efectuar en un ensayo de compresión.

En general es posible efectuar las mismas determinaciones que en el ensayo de tracción, por lo que solo insistiremos en las más importantes.

Resistencia estática a la compresión:

Tensión al límite proporcional:

En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines comparativos.

Tensión al límite de aplastamiento:

El valor de Pf que corresponde al límite de aplastamiento es equivalente al de fluencia por tracción, no presentándose en forma tan nítida como este ni aun en los aceros muy blandos, por lo que generalmente se calcula, en su reemplazo, la tensión de proporcionalidad.

Maquina de ensayos Baldwin, para ensayo de compresión.

Ensayo de impacto.

El ensayo de impacto, también llamado de resiliencia o choque proporciona una medida de la tenacidad del material e indirectamente de su ductilidad ya que en general existe una correlación entre ambas características.

La razón de esta coincidencia se debe al hecho de que en el ensayo de impacto la carga que provoca la rotura de la probeta se aplica de forma instantánea impidiendo la deformación plástica del material provocando en la práctica la fractura frágil de materiales dúctiles.

El valor obtenido en el ensayo constituye una referencia válida para prever el comportamiento de los materiales frente a cargas dinámicas (variables) y valorar si un material concreto será adecuado en una determinada situación, si bien, a diferencia de otras características determinadas mediante ensayo, como por ejemplo las del ensayo de tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño.

Realización del ensayo.

El ensayo consiste en romper una probeta entallada golpeándola con un péndulo.

Partiendo de una altura H inicial desde la que se deja caer el péndulo de peso P y alcanzando éste después de romper la probeta una altura h (girando en total un ángulo α + β) se puede calcular la energía absorbida por la probeta en el impacto suponiendo que ésta es igual a la perdida por el péndulo.

• Energía potencial inicial: P×H = P×L×(1-cosα)

• Energía potencial final: P×h = P×L×(1-cosβ)

La energía absorbida por la probeta será:

P×L× (1-cosα) - P×L×(1-cosβ) =

= P ×L× (cosβ-cosα)

Cuanta mayor sea la fragilidad del material y menor su tenacidad más fácilmente romperá el péndulo la probeta y mayor altura alcanzará tras el impacto. Materiales muy dúctiles y tenaces que son capaces de absorber grandes cantidades de energía de impacto pueden incluso resistir el choque sin llegar a romperse; en este caso el valor de la resiliencia queda sin determinar.

El péndulo en su balanceo inicial arrastra una aguja que queda fija en el punto más elevado alcanzado tras el impacto señalando sobre una escala graduada el valor de la resiliencia.

La temperatura normalizada de ensayo es de 20 ºC como para el resto de características en mecánica (dimensiones de las piezas incluidas), no obstante pueden ensayarse probetas a distintas temperaturas cuando la pieza tenga que soportar temperaturas distinta de la ambiente, sean éstas bajas temperatura, -20ºC, para simular el comportamiento durante, por ejemplo, las heladas, criogénicas (-71ºC a -196ºC) o altas temperaturas. Igualmente ensayos a distinta temperatura permiten determinar la temperatura de transición frágil-dúctil del material y por tanto la temperatura mínima de servicio.

Variantes del ensayo.

Existen dos variantes básicas del ensayo de impacto desarrolladas ambas a principios del siglo XX.

Ensayo Charpy: La probeta se apoya en sus extremos y se golpea en el centro por la cara contraria a la entalla.

Ensayo Izod: La probeta, empotrada por una de sus mitades, se golpea en el extremo del voladizo por la cara de la entalla.

Probetas.

Las probetas de sección rectangular o circular se mecanizan a partir de muestras representativas del material, variando su tamaño y dimensiones y los de la entalla en función de la máquina y norma nacional utilizada en el ensayo.

La probeta tipo según ISO y normativa europea es de sección cuadrada de 10 mm de lado y 55 mm de longitud colocándose con una distancia entre apoyos de 40 mm. La entalla es de los tipos bulbo y cilíndrica con una profundidad de 5 mm, ancho máximo de 2 mm y una superficie de rotura de 10×5 mm².

En la norma ASTM E23 o Charpy-V la probeta es de iguales dimensiones y distancia entre apoyos que la anterior pero la entalla es triangular formando las caras un ángulo de 45º, con una profundidad de 2mm y redondeo en el fondo de la entalla de 0,25 mm de radio.

La norma DIN 50115 emplea probetas similares a las ISO pero de menos profundidad (3 mm la DVM y 2 mm la DVMK).

La entalla de las probetas Izod, equivalentes a la norma BS 131 (V) son triangulares con las dimensiones de la Charpy-V.

Probetas en un ensayo de impacto. Péndulo en caída libre para ensayo de impacto

Ensayo de fatiga.

El ensayo de fatiga es un método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media específica (que puede ser cero) y una carga alternante y se registra el número de ciclos requeridos para producir la falla del material (vida a la fatiga). Por lo general, el ensayo se repite con probetas idénticas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión. Dependiendo de la amplitud de la carga media y cíclica, el esfuerzo neto de la probeta puede estar en una dirección durante el ciclo de carga o puede invertir su dirección. Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama S-N, que es un gráfico del número de ciclos necesarios para provocar una falla en una probeta contra la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado.

Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria (Figura 20), en el cual una probeta se hace girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.

Figura20
Máquina de Ensayo de Fatiga.

Figura21
Probeta Estandarizada del Ensayo de Fatiga

La Figura 21 muestra la probeta estandarizada que se usa en este ensayo.

Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta resistió antes de romperse, se puede obtener el gráfico de la Figura 22.

Figura 22

La curva es decreciente hasta el millón de ciclos, luego de los cuales la probeta no se rompe. Esta carga que no logra romper la probeta, es la carga de vida infinita y el esfuerzo que provoca es el llamado límite de resistencia a la fatiga: Se.

Este valor Se se utilizará para diseñar elementos sometidos a cargas fluctuantes, como es el caso de los ejes en general.

Ensayo de dureza.

La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y representa una propiedad comparativa, es decir que permite establecer que material es más duro o mas blando que otro, una forma sencilla de comprender lo anterior es pensar en la forma como se compara la dureza de dos materiales en la vida cotidiana, siempre se utilizará un material de mayor dureza como material de referencia, la forma como se realice la comparación da origen a varios tipos de dureza y estos son:

• Dureza a la penetración.

• Dureza a la deformación.

• Dureza al rebote o choque.

• Dureza al corte.

• Dureza abrasiva.

• Dureza de tensión.

Dureza a la penetración.

Es la resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro más duro, es una medida de su estructura y plasticidad., Este ensayo es él más utilizado para los materiales utilizados en mecánica.

Dureza a la deformación.

Es la resistencia que opone un material a ser deformado en forma plástica sin generar rotura en su estructura, este ensayo es importante para determinar la capacidad de (deformación) embutición de chapas metálicas.

Dureza al rebote.

Es la resistencia que ofrece un material al choque y que genera un rebote determinado según sus propiedades elásticas, este ensayo es muy utilizado para medir las propiedades elásticas en algunos aceros templados y en gomas y elastómeros naturales y artificiales

Dureza al corte.

Es la resistencia que ofrece un material al corte, típica situación que se genera en los procesos de arranque de viruta.

Dureza abrasiva.

Es la resistencia que ofrecen los materiales a desgastarse cuando están sujetos a movimientos relativos de deslizamientos relativos

Dureza de tensión.

Es la resistencia que ofrecen los materiales a romperse debido a una carga de tensión. (Por tracción, flexión, cortadura, compresión)

Importancia de los ensayos de dureza.

La importancia de estos ensayos de dureza es que ellos permiten comparar los valores de dureza especificados para la adquisición de materiales, como para los tratamientos térmicos a que son sometidos algunos materiales y permitirán aceptar o rechazar un producto semi procesado o terminado.

Esta aceptación o rechazo tienen validez legal que está basada justamente en los valores de ensayos de dureza.

Ensayos de dureza de penetración y deformación más utilizados:

• Ensayo de dureza BRINELL.

• Ensayo de dureza ROCKWELL.

• Ensayo de dureza VICKERS.

• Ensayo de dureza KNOOP.

• Ensayo de dureza SHORE.

Ensayo de Dureza Brinell.

Consiste en imprimir en la probeta de ensayo (muestra) la marca de una esfera de acero de diámetro conocido (D), bajo la acción de una carga estática conocida (P), midiendo después de realizado el ensayo el diámetro (d) dejado por la huella de la esfera sobre la probeta.

El valor de la dureza Brinell se calcula como el cuociente entre la carga P aplicada y el área del casquete esférico de la huella dejada por la bola o esfera de acero sobre la muestra.

Penetrador y carga

Los penetradores usados son bolas de acero templado de 5 y 10 mm de diámetro

(Normalizados)

También suelen emplearse bolas de 1,25 2,5 y 7 mm de diámetro, dependiendo del tamaño de la muestra

En el caso de materiales de alta dureza (sobre 500 H.B.) se usa una bola de carburo de Tungsteno.

Para fierro fundido y aceros se usa de preferencia una bola de acero de 10 mm de diámetro y cargas de 3000 kp. Con un tiempo de aplicación de la carga de 10 a 15 segundos (ensayo normal)

Para metales no ferrosos, se emplean bolas de 10 mm de diámetro y cargas de 500 kp durante 30 segundos.

Las cargas de ensayo de determinarán de modo que la esfera deje un diámetro de impresión o huella comprendida entre d = 0,25 D a 0,6 D

El resultado del ensayo de dureza BRINELL normal se expresa como

H.B.= (valor obtenido)

Ejemplo : H.B. = 450 kp/mm2 Indica que la dureza del material después del ensayo es de 450 cifras de dureza Brinell, determinada en un ensayo normal de dureza Brinell, es decir con penetrador esférico de acero de 10 mm de diámetro y 3000 kp de carga durante 10 a 15 segundos.

Para expresar el resultado de un ensayo de dureza Brinell distinto del normal, se debe indicar el diámetro de la bola, la carga aplicada y el tiempo de duración o exposición de la carga.

Ejemplo. H.B. 5/750/15 = 229 kp/mm2 indica un ensayo especial con un penetrador de 5 mm de diámetro, una carga de 750 kp aplicados durante 15 segundos.

Principio del ensayo Brinell.

El principio de este ensayo está basado en el hecho que con penetradores de diferentes tamaños se obtienen impresiones geométricas similares y que tienen sus diámetros proporcionales.

Esto significa que se obtienen iguales valores de dureza siempre que las cargas aplicadas sean también proporcionales al cuadrado del diámetro de la bola o penetrador.

Condiciones del ensayo.

La carga debe aplicarse perpendicularmente a la superficie de la probeta.

La aplicación de la carga debe ser incrementada en forma uniforme y lenta, exenta de vibraciones

La maquina debe permitir mantener una carga constante durante el tiempo especificado, se toleran variaciones de +/- 4 % del calor da carga especificado.

El dispositivo para medir la carga deberá indicar el valor con un error máximo del 1% del valor de la carga (+ o -)

La maquina debe estar provista de un soporte de probeta rígido.

La tolerancia en el diámetro de la esfera o bola (penetrador) es de 4 μm

La medición de la impresión debe realizarse con una resolución del +/- 0,25 % del diámetro de la esfera

El ensayo puede realizarse en probetas especiales o en el mismo producto terminado.

La superficie de la probeta o pieza debe estar limpia, pulida con lija fina a fin de facilitar la lectura de la impresión.

La distancia desde el centro de la huella al borde de la probeta debe ser de 2,5 veces el diámetro de la huella y 4 veces el diámetro de la huella su distancia entre centros.

El tiempo de aplicación de la carga es de 15 segundos para materiales ferrosos y de 30 segundos para materiales no ferrosos, como mínimo.

Los resultados de los ensayos se obtienen mediante el promedio aritmético de los resultados de al menos dos mediciones continuas.

Hasta las cifras 99.9 H.B., se expresan con décimas, sobre 100 H.B. se expresan en enteros.

Campo de aplicación del ensayo Brinell.

El ensayo Brinell, produce una huella relativamente grande que impide su aplicación a chapas delgadas, metales plaqueados metales endurecidos superficialmente, y piezas en general que no admitan huellas sobre sus superficies. Sin embargo en materiales heterogéneos como son las fundiciones y aleaciones es un procedimiento de medición de la dureza muy conveniente por permitir obviar la influencia de las micro porosidades en la medición por otros procedimientos.

Ensayo de dureza Rockwell.

Principio del ensayo.

Este ensayo está basado en la dureza a la penetración al igual que el ensayo Brinell, pero se diferencian en el principio de medición.

El ensayo Rockwell determina la dureza en función de la profundidad de penetración.

Condiciones del ensayo.

Maquinas del ensayo.

La máquina de ensayo deberá cumplir con las siguientes condiciones:

La carga debe aplicarse en forma perpendicular al la superficie de la probeta.

El aumento de la carga hasta su valor límite debe ser lento uniforme y libre de vibraciones

La máquina de ensayo deberá permitir mantener la carga de trabajo constante durante el tiempo especificado , siendo la variación de dicha carga no mayor a un 1 %

El dispositivo para medir la carga deberá indicar la carga con un error máximo de un 1 %

La máquina debe estar provista de un soporte rígido para la probeta o pieza .

Tipo de penetradores.

Para los ensayos de dureza Rockwell A, C y D el penetrador es cónico con punta de diamante.

El ángulo en el vértice del cono será de 120 º mas menos 0,5 º

El eje del penetrador no se desviará más de 0,5 º del eje del cono de diamante.

La terminación del cono será en forma de casquete esférico, con un radio de

0,2 mm +/- 0,002mm

La punta del diamante estará libre de partículas y defectos superficiales y sólidamente montada en u soporte ,

Para los ensayos Rockwell B, E, F, y G se usara un penetrador esférico de acero templado de superficie finamente pulida.

El diámetro de la esfera será de 1,588mm +/- 0,0035mm para los ensayos B, F y G

El diámetro de la esfera será de 3,175 mm +/- 0,005 mm para le ensayo Rockwell E

La dureza Vickers de las esferas no será inferior a HV = 900 kp/mm2

Mesa o soporte.

Deberá ser de acero con una dureza y rigidez suficiente para prevenir su deformación

Se encontrara fijado simétricamente debajo del penetrador

Para probetas planas se usara un soporte plano

Para barras, tubos y piezas huecas se emplearan soportes especiales de modo de asegurar su rigidez bajo la acción de las cargas de ensayo.

Dispositivos de medición de dureza.

el dispositivo de medida indicara la profundidad de penetración en unidades de 0,002 mm con un error de +/- 0,001mm

cada división corresponderá a una unidad en la escala de dureza Rockwell

Probetas del ensayo.

La superficie sobre la cual se realizará el ensayo deberá estar desprovista de cualquier capa o revestimientos superior a 0,002mm y deberá tener un grado de terminación superficial previo tal que permita la medición de la profundidad de la impresión con la precisión necesaria.

En su pulimento previo para realizar el ensayo, deberá evitarse modificaciones en la estructura del material por calentamiento.

Podrán ensayarse materiales con superficies curvas siempre que el radio de curvatura no sea inferior a 25mm.Para ensayos en superficies curvas de radios inferiores a 25 mm se deberán establecer convenios especiales

El espesor de la probeta deberá ser por lo menos de ocho veces el incremento de la penetración ( e min.= 8 i )

Normas relativas del ensayo.

La probeta se apoyará sobre el soporte de modo que se evite cualquier deslizamiento entre pieza y soporte durante el ensayo., debiendo ambas superficies estar limpias.

La distancia entre el centro de una impresión y el borde de la probeta, como también respecto del centro de otra impresión deberá ser de por lo menos 3 mm

El penetrador se pondrá en contacto con la superficie lentamente y luego se aplicará gradual y perpendicularmente la carga inicial de 10 kp. ( con tolerancia +/- 0,2 kp)

Luego se hará coincidir el cero de la escala del dispositivo de medida con la aguja indicadora de la profundidad de penetración y se aplicara gradualmente y sin sacudidas la carga adicional P1 durante un lapso de 3 a 6 segundos, las tolerancias de carga será

de 0,9 kp para escala C, 0,65 kp. Para escala B

Después que la aguja indicadora de la profundidad se haya inmovilizado, se suprime la carga adicional, manteniendo la carga inicial Po

Luego se leerá en la escala correspondiente del dispositivo de lectura el valor del ensayo.

La cara opuesta del ensayo no deberá mostrar signos de haber sido afectada por la penetración del ensayo.

Expresión de los resultados.

El resultado de un ensayo Rockwell será el promedio de por lo menos tres ensayos efectuados en puntos cercanos de la misma superficie de la probeta.

La dureza se leerá directamente en el dial indicador y su resultado se expresara en cifras de dureza Rockwell seguidas de la escala utilizada para el ensayo. Ejemplo Dureza H.R B = 42 o 42 HR B de dureza

Calibración de la maquina del ensayo.

Toda máquina de ensayo deberá estar provista de una probeta tipo o patrón de calibración, la cual se utilizará para calibrar o verificar que la máquina esta en perfectas condiciones para realizar un ensayo.

Esta probeta tendrá un espesor mínimo de 4,8 mm

Para la verificación o calibración de la máquina se usará solo una de las superficies de la probeta de calibración, la cual deberá tener una superficie mínima de 26 cm2

La dureza de la probeta deberá estar certificada por un laboratorio oficial en 5 puntos de su superficies ( centro y cuatro esquinas) y el valor de estas mediciones no deberá tener variaciones mayores de una unidad para las escalas A y C y de dos cifras para la escala B

La probeta de calibración no deberá ser sometida a procesos de esmerilado, pulido etc. que afecten el valor de dureza certificado.

El valor de la dureza de la probeta de calibración no deberá apartarse en más de cinco unidades de la dureza de la pieza que se va ha ensayar

La precisión de la máquina se considerara aceptable si la variación de cinco ensayos sobre la probeta patrón se encuentran dentro de la tolerancia del valor de dureza de dicha probeta patrón.

Procedimiento del ensayo.

Seleccionar la escala del ensayo a realizar según el tipo de material, lo que trae consigo la determinación del tipo de penetrador y de la carga a aplicar y concluye con el montaje del penetrador y la selección de la escala mediante el selector que posee la máquina.

Calibrar la máquina con la probeta patrón, según lo especificado en el punto calibración de la máquina.

Realizar las mediciones sobre las muestras o probetas a medir

Calcular el promedio de los valores obtenidos y obtener el resultado de la medición, el valor obtenido debe ser un número entero, aproximando el resultado al valor mas próximo.

Verificar que la calibración de la máquina no se a perdido .

• Si la máquina no a perdido su calibración, esto validará todos las mediciones realizadas

• Si la calibración se ha perdido, esto invalida todas las lecturas realizadas.

Designación de dureza

50 H.R.c

cifra de dureza tipo de dureza escala

Ensayo de Traccion

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 7.

Figura 7 Máquina de Ensayo de Tracción

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

La Figura 8 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.

Figura 8
Curva Fuerza-Deformación de un Acero.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.

Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

F = K (L - L0)

F: fuerza
K: cte del resorte
L: longitud bajo carga
L0: longitud inicial

Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como:

F = Fyp (yield point)

Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

La figura 9 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Figura 9

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las cargas por la sección transversal inicial Ao , obteniéndose:

Resistencia a la fluencia:

σyp =

Fyp A0

Resistencia a la tracción:

σult =

Fmáx A0

Observaciones:

σyp = Re
σult = Rm (en alguna literatura)

Unidades: Kg/mm2 o Mpa o Kpsi

Considerando una probeta cilíndrica

Ao = ()

La figura 10 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Figura 10

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamineto final Lf (Figura 11) y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .

Figura 11

Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas % L:

% RA= x 100 %  L = x 100.

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 12  permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.

Figura 12

El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus  L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz.

A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformación σ -  . El esfuerzo σ , que tiene unidades de fuerza partido por área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:

En la Figura 13 se presenta un ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.

Figura 13

Módulo de Elasticidad = 2,1. 106 (Kg / cm2)

Pero, σ = y  = con lo que queda
=  y definitivamente,
F = (Lf - L0 ) en donde la "constante de resorte" K =

Ensayo de Torsión.

El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.

Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como ejes de transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales.

Las probetas utilizadas en el ensayo son de sección circular. El esfuerzo cortante producido en la sección transversal de la probeta ( ) y el ángulo de torsión ( ) están dados por las siguientes relaciones:

Figura 19. Angulo de torsión

;

Donde T: Momento torsor (N.m)

C: Distancia desde el eje de la probeta hasta el borde de la sección transversal (m) c = D/2

: Momento polar de inercia de la sección transversal (m4)

G: Módulo de rigidez (N/m2)

L: Longitud de la probeta (m)

Maquina para el ensayo de torsión.

La máquina consta de una barra (1), que soporta todas las partes de la misma. Las patas ajustables (2), permiten la nivelación de la máquina.

Los mandriles (3, 4) son para fijar las probetas. Del lado derecho de la máquina, se tiene un reductor de velocidad, de tornillo sinfín y rueda helicoidal, en cuya flecha de salida está montado un mandril (3). La base del reductor, está fija en la barra (1) y fijarlo, si se desea, en cualquier punto con la palanca (6) y la cuña (7).

El transportador (8) mide aproximadamente los ángulos totales de torsión de la probeta.

El volante (9) montado en la flecha de entrada del reductor, permite aplicar el par de torsión.

Del lado izquierdo de la máquina, se tiene el cabezal con el otro mandril (4) y el sistema electrónico de registro. Este sistema de registro, emplea como transductor una celda de carga (10) unida al mandril (4) mediante un eje (11), montado sobre baleros (12) para reducir al mínimo la fricción.

La cubierta (13) contiene también las partes electrónicas del sistema de registro de la carga. En el display (14) se puede leer el valor del par aplicado a la probeta en kg. - cm.

En el lateral derecho, se tiene un interruptor para encender/apagar la máquina (15). En la parte trasera, el fusible de protección (16) y la clavija para conectar la máquina en 115 V. (17).

Finalmente, en el lateral derecho del cabezal, se encuentra el ajustador a cero del sistema (18).

Operación de la maquina.

La probeta se coloca entre las mordazas. Se ajusta primero el mandril del lado del cabezal de medición (4) y luego girando el volante (9) se alinean el mandril opuesto (3) y se aprieta.

Se hace girar el transportador (8) para ponerlo en la posición de cero.

Se enciende la maquina unos 15 minutos antes de empezar a usarla, para permitir que el registrador electrónico entre en régimen.

Al encender la máquina, se verá iluminada la pantalla (14). La máquina está lista para aplicar carga a la probeta, lo cual se hace girando el volante (9). Hay que tener en cuenta que una vuelta del volante, corresponde a 6º de torsión de la probeta.

Es conveniente aplicar la carga de incrementos de torsión de la probeta de 0.2 a 1.0 grados, por cada incremento, según el material de que se trate.

Sugerencia para incremento de deformación para distintos materiales:

MATERIAL	INCREMENTO GRADOS
Acero al C. 0.15 % Acero al C. 0.15 % Normalizado Acero al C. 0.4 % Acero al C. 0.4 % Normalizado Hierro Vaciado Latón Aluminio	0.5 0.2 0.5 0.4 0.5 0.5 1.0

Ensayo de Cizallamiento.

Este ensayo tiene como fundamento averiguar la resistencia que ofrece al desplazamiento secciones adyacentes de material sometido a esfuerzos radiales.

De los sistemas comúnmente utilizados, de corte doble, el último es el que merece preferencia, porque las tensiones que tienden a provocar flexiones en la probeta son absorbidas con más facilidad, ganándose exactitud en los resultados. Los valores de esfuerzo de cortadura son función del tiempo, o sea de la duración de ensayo, y también del tipo de maquina empleado. Generalmente se elige para la duración de este ensayo el mismo tiempo que para el de tracción; por lo tanto, el incremento de carga por segundo será aproximadamente 1 kg/mm2.

La forma del ensayo se aprecia claramente en la figura 25. La pieza problema, e, se introduce en un dispositivo cuyo orificio tiene exactamente el mismo diámetro que esta. Las dos guias a deben suponerse fijas durante el ensayo, mientras que la platina b, impulsada por la tensión P, lleva a cabo el cizallamiento.

La practica ha aconsejado que el mecanismo para el ensayo de cizallamiento disponga en las guias a y en la platina b, para sucesivos ensayos, de casquillos templados intercambiables. En este ensayo, de casquillos templados intercambiables. En este ensayo son muy importantes las calidades de medida de las piezas móviles, de los taladros para la colocación de la pieza y de la misma pieza. Es interesante hacer notar que el incumplimiento de estas condiciones hace completamente inservibles los valores hallados, debido a que estos oscilan entre limites imprevisibles. La tensión de cizallamiento se calcula por:

Prácticamente, no pueden relacionarse los valores del ensayo por cizallamiento con el de tracción. Puede aceptarse, empero, que la resistencia al cizallamiento de aceros corrientes al carbono representa el 60% de la resistencia de los mismos a la tracción. Para metales ligeros del grupo Al - Cu - Mg puede aceptarse un 65%, y para aleaciones de Al - Mg y similares, un 55%.

Ultrasonido

El ultrasonido es utilizado para el ensayo no destructivo de los materiales, se aplica para conocer el interior de un material componentes al procesar la trayectoria de la propagación de las ondas en el interior de la pieza que dependen de las discontinuidades del material examinado, lo que permite evaluar aquella discontinuidad acerca de su forma, tamaño, orientación, ya que estos oponen resistencia conocida como impedancia acústica. Al conocer la propagación de las ondas sonoras, se determina su velocidad con ello las propiedades de los materiales.

El método del ultrasonido en la ingeniería es utilizado para el ensayo de los materiales, es una técnica de ensayo no destructivo y este procedimiento utiliza la propagación del sonido en un medio sólido como elemento diferenciador de los posibles defectos en el interior de la soldadura toda vez que cambia las características de las ondas sónicas al faltar metal (fisuras o porosidades) o su composición (escorias o defectos de fusión).

Al procesar las señales de las ondas sonoras se conoce el comportamiento de las mismas durante su propagación en el interior de la pieza y que dependen de las discontinuidades del material examinado, lo que permite evaluar aquella discontinuidad acerca de su forma, tamaño, orientación, debido que la discontinuidad opone resistencia (conocida como impedancia acústica) al paso de una onda. Las ondas pueden ser sónicas comprendidas en el intervalo de frecuencias entre 20 y 500 kHz y las ultrasónicos con frecuencias superiores a 500 kHz.

En el método ultrasónico se utilizan instrumentos que transmiten ondas con ciertos intervalos de frecuencia y se aplican para detectar defectos como poros, fisuras, también para conocer las propiedades básicas de los líquidos y sólidos como la composición, estructura.

El análisis de los materiales mediante ultrasonido se basa en el principio físico: El movimiento de una onda acústica, sabido es que la onda acústica es afectada por el medio a través del cual viaja y se distinguen los siguientes tipos: onda longitudinal, transversal y superficial (Rayleigh), según se muestra en la imagen, debido a ello ocurren los cambios asociados con el paso de una onda sonora de alta frecuencia a través de un material en uno o más de los cuatro parámetros siguientes: tiempo de tránsito, atenuación, reflexión y frecuencia. Estos parámetros a menudo pueden estar correlacionados con los cambios de las propiedades físicas, dureza, módulo de elasticidad, densidad, homogeneidad, estructura y grano del material.

Los principales parámetros que deben ser controlados en un sistema ultrasónico son:

Sensibilidad. Es la capacidad de un transductor para detectar discontinuidades pequeñas.
Resolución. Es la capacidad para separar dos señales cercanas en tiempo o profundidad.
Frecuencia central. Los transductores deben utilizar en su rango de frecuencia especificado para obtener una aplicación optima.
Atenuación del haz. Es la perdida de energía de una onda ultrasónica al desplazarse a través de un material. Las causas principales son la dispersión y la absorción.

detector de fallas por ultrasonido

Radiografia

La radiografía como método de prueba no destructivo, se basa en la capacidad de penetración que caracteriza principalmente a los Rayos X y a los Rayos Gama. Con este tipo de radiación es posible irradiar un material y, si internamente, este material presenta cambios internos considerables como para dejar pasar, o bien, retener dicha radiación, entonces es posible determinar la presencia de dichas irregularidades internas, simplemente midiendo o caracterizando la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el material.

Comúnmente, una forma de determinar la radiación que pasa a través de un material, consiste en colocar una película radiográfica, cuya función es cambiar de tonalidad en el área que recibe radiación. Este mecanismo se puede observar más fácilmente en la figura de abajo. En la parte de arriba se encuentra una fuente radiactiva, la cual emite radiación a un material metálico, el cual a su vez presenta internamente una serie de poros, los cuales por contener aire o algún otro tipo de gas, dejan pasar más cantidad de radiación que en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en la película radiográfica situada en la parte inferior del material metálico.

Como puede observarse el método de radiografía es sumamente importante, ya que nos permite obtener una visión de la condición interna de los materiales.

Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesario para realizar una prueba radiográfica puede representar una seria limitación si se considera su costo de adquisición y mantenimiento. Más aún, dado que en este método de prueba se manejan materiales radiactivos, es necesario contar con un permiso autorizado para su uso, así como también, con detectores de radiación para asegurar la integridad y salud del personal que realiza las pruebas radiográficas.

Termografia Infrarroja

La termografia es la rama de la Teledetección que se ocupa de la medición de la temperatura radiada por los fenómenos de la superficie de la Tierra desde una cierta distancia.

La principal técnica empleada en las pruebas infrarrojas es la Termografía Infrarroja. Esta técnica se basa en la detección de áreas calientes o frías mediante el análisis de la parte infrarroja del espectro electromagnético. La radiación infrarroja se transmite en forma de calor mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. De esta forma, mediante el uso de instrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales.

Generalmente, en la técnica de termografia infrarroja se emplea una o más cámaras que proporcionan una imagen infrarroja (termograma), en cual las áreas calientes se diferencian de las áreas frías por diferencias en tonalidades. Como ejemplo, podemos observar la termografía de abajo, en la cual los tonos amarillos y rojizos representan las áreas calientes y los tonos azules y violetas representan las áreas frías.

De esta forma uno puede obtener un termograma típico de una pieza o componente sin discontinuidades. Posteriormente, si hubiese alguna discontinuidad, ésta interrumpirá el flujo o gradiente térmico normal, lo cual será evidente en el termograma.

La técnica de termografia infrarroja ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, la prueba se efectúa con rapidez incluso en grandes áreas, los resultados de la prueba se obtienen en forma de una imagen o fotografía, lo cual agiliza la evaluación de los mismos.

En general, existen dos principales técnicas de termografia infrarroja: La termografía pasiva y la termografía activa.

Técnicas de Termografía Infrarroja
Termografía Pasiva	Consiste en simplemente obtener un termograma del componente en cuestión, sin la aplicación de energía. El componente por si mismo proporciona la energía para generar la imagen infrarroja. Ejemplos de la aplicación de ésta técnica los encontramos por ejemplo en la evaluación de un motor funcionando, maquinaria industrial, conductores eléctricos, etc.
Termografía Activa	En esta técnica, para obtener un termograma, es necesario inducir cierta energía al material o componente en cuestión. Muchos componentes, dadas sus condiciones de operación y servicio, son evaluados en forma estática o a temperatura ambiente, lo cual da lugar a que el termograma que se obtenga, presente un patrón o gradiente térmico uniforme, es en este tipo de situaciones en que la termografía activa tiene uso. Así, esta técnica puede ser empleada en la detección de laminaciones o inclusiones, las cuales representan variaciones en conducción de calor y por lo tanto son evidentes en el termograma.

Hoy en día la termografía infrarroja se utiliza exitosamente en numerosas aplicaciones, entre las cuales podemos nombrar: discontinuidades sub-superficiales y superficiales como la corrosión, resistencia eléctrica, inclusiones, perdida de material, grietas, esfuerzos residuales, deficiencias en espesores de recubrimiento, etc. El principal inconveniente puede ser el costo del equipo. Sin embargo, los resultados se obtienen rápidamente y la evaluación es relativamente sencilla, por lo que no se requiere mucho entrenamiento en el uso y aplicación de la técnica.

Inspección por Partículas Magnéticas

Es un metodo de ensayo no destructivo del tipo superficial que consiste en la magnetización de una pieza por medio de un campo eléctrico o un campo magnético, después o en forma simultanea, se aplica sobre la superficie un polvo ferromagnético, el cual será atraido donde exista una distorción de las líneas del flujo magnético, o mas conocida como fuga de campo, formándose así las indicaciones, estas serán visibles bajo condiciones apropiadas de iluminación; se tienen partículas magnéticas con pigmentación visible o contrastante, fluorecente, y de color mixto (duales). En la practica de las partículas magnéticas se usa con materiales ferrosos ya que los materiales no ferrosos como el aluminio no tienen propiedades ferro magnéticas y no sirve para hacer este tipo de prueba con partículas magnéticas. En un material ferro magnético como el hierro se utiliza este tipo de prueba la maquina que se llama yoque o yugo trabaja con corriente alterna AC y corriente continua DC .El yugo es metálico con recubrimiento plástico en cuyo interior tiene un en bobinado en cobre para que se puede generar un campo electromagnético lo cual la norma especifica el numero de vueltas que debe tener el dispositivo y tiene dos extremidades o patas que no tienen recubrimiento de plástico, son de metal ferro magnético y son articuladas lo cual se pueden cerrar hasta dos pulgadas o desplegarse aproximadamente de según sea conveniente la norma especifica que debe alzar un peso muerto de 10 libras con las patas con una distancia de 6 pulgadas para que el yugo tenga una optima función.
Las partículas magnéticas son mas finas que la limadura de hierro cuyo tamaño esta entre 40-60 micras.
El yugo debe ponerse en una pieza ferro magnética y apretando el gatillo del yugo hace contacto entre la pieza y el yugo, provocando que el circuito se cierre generando un campo electromagnético. Después de generar dicho campo se le agrega las partículas magnéticas provocando que las partículas busquen su polaridad y se dirijan al polo que las atrae por lo cual si hay un agrietamiento las partículas no se puedan dirigir al polo se aglomeren un dicha fisura ,se pueden detectar fisuras longitudinales y transversales dependiendo la posición del yoque.

Ventajas

· Es portátil
· Fácil de utilizar con piezas grandes
· Determina la fisura mas rápidamente
· Determina grietas superficiales y subsuperficiales
· Se puede usar en materiales ferro magnéticos

Desventajas

· Difícil de aplicar en piezas de geometría irregular
· No se puede inspeccionar sobre cabeza
· No se puede usar en materiales no ferro magnéticos
· Es imposible detectar grietas internas

Aplicación de la técnica de Yugo electromagnético.

Indicaciones lineales encontradas en una esfera de almacenamiento de gas.

Analisis de Vibraciones

La medición y análisis de vibraciones se usa en las industrias como técnica de diagnóstico de fallas y evaluación de la integridad de máquinas y estructuras. En el caso de los equipos rotatorios, la ventaja que presenta el análisis vibratorio respecto a otras técnicas como radiografía, ultrasonido, etc., es que la evaluación se realiza con la máquina funcionando, evitando con ello la pérdida de producción que genera una detención.

Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la cadena de medición, son:

- Etapa transductora

- Etapa de acondicionamiento de la señal

- Etapa de análisis y/o medición

- Etapa de registro.

Algunos tipos de analisis de vibraciones son:

Análisis espectral.

La esencia del análisis espectral es descomponer la señal vibratoria en el dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto permite, en el caso de las máquinas, correlacionar las vibraciones medidas generalmente en sus descansos, con las fuerzas que actúan dentro de ella. Las vibraciones corresponden a una bomba centrífuga de 5 álabes. Las componentes de frecuencias 1x rpm y 2x rpm se las asocia a un grado de desalineamiento de la bomba con el motor y al desbalanceamiento residual del rotor. La componente de frecuencia 5x rpm proviene de

las pulsaciones de presión que genera este tipo de máquinas.

Análisis de la forma de onda.

El análisis de la forma de la vibración en el tiempo a veces puede proveer información complementaria al análisis espectral. Este análisis es adecuado para reconocer los siguientes tipos de problemas:

- Impactos

- Rozamientos intermitentes

- Modulaciones en amplitud y frecuencias

- Transientes

- Truncaciones.

Análisis de fase de vibraciones.

Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores máximos, mínimos o cero. El análisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la máquina entre las vibraciones horizontal y vertical o entre las vibraciones axiales de los diferentes descansos del sistema motormáquina, permite determinar los movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre problemas que generan vibraciones a frecuencia 1x rpm:

- Desbalanceamiento

- Desalineamiento

- Eje doblado

- Resonancia

- Poleas excéntricas o desalineadas.

Análisis de los promedios sincrónicos en el tiempo.

Esta técnica recolecta señales vibratorias en el dominio tiempo y las suma y promedia sincrónicamente mediante un pulso de referencia repetitivo. Las componentes sincrónicas al pulso se suman en el promedio y las no sincrónicas disminuyen de valor con el número de promedios.

Análisis de órbitas.

Combinando dos señales vibratorias captadas por sensores ubicados relativamente entre ellos a 90º (vertical y horizontal) en un descanso de la máquina se puede

obtener el movimiento del eje en el descanso o su órbita.

Análisis de demodulaciones.

El análisis de demodulaciones en amplitud consiste en analizar la envolvente de la señal temporal de una señal modulada. Este análisis permite determinar más fácilmente la periocidad de las modulaciones y diagnosticar problemas tales como:

- Rodamientos picados

- Engranajes excéntricos o con dientes agrietados

- Deterioro de álabes en turbinas

-Problemas eléctricos en motores

equipo de analisis de vibraciones

Jominy

Es un procedimiento estandar para determinar la templabilidad que es la capacidad de una aleacion para transformarse en martensita durante el templado. Este ensayo permite conocer de forma rápida algunas propiedades de los aceros como las durezas máximas y mínimas que se pueden obtener. El proceso es el siguiente:

Se toma una probeta estandarizada de la aleacion a estudiar que generalmente lleva una acanaludura en la parte superior para ser colgada en el enfriamiento, y se procede a ser calentada a la temperatura de austenizacion dentro de un horno. Luego de alcanzada la temperatura debida, se coloca la probeta en un dispositivo como el que aparece en la figura, donde un chorro de agua incide directamente en la parte inferior de la probeta con una velocidad de flujo y temperatura especificada. Solo la cara inferior de la probeta debe ser directamente golpeada con el chorro de agua.

Una vez terminado el enfriamiento se rectifican dos generatrices opuestas de la probeta una profundidad mínima de 0,4 mm a lo largo de toda su longitud, determinándose después su dureza Rockwell c a lo largo de los 50mm primeros de la probeta. Las medidas de dureza se realizan cada 1,6 mm, durante la primera pulgada (25,4 mm). Posteriormente se determina la dureza cada 5 mm. Los resultados obtenidos se registran en un gráfico standard, donde se relacionan la dureza obtenida, con la distancia al extremo templado.

Conclusión

Debido a la variedad de los tratamientos térmicos es importante saber y distinguir las diferencias y características que se obtienen con cada uno de los diferentes tipos de tratamientos térmicos , ya que podemos obtener mejor resultado sabiendo aplicar cada uno de ellos y entender los procedimientos básicos que este encierra para un mejor trabajo; hoy, mañana y siempre estos tratamientos estarán presentes por que este campo va a hacer infinito, el acero es una materia prima, podría existir diversas aleaciones pero acero estará presente y las características de este no se encajan del todo a nuestras necesidades y por eso es necesario el manipularlo hasta llevarlo a lo mas extremo en lo que queremos obtener , mayor ductibilidad, mayor dureza, entre otras propiedades presentes en los aceros.

Las pruebas mecánicas fueron creadas como respuesta a la necesidad de conocer el estado de los materiales, sin embargo, las pruebas destructivas tienen el inconveniente de que terminan con la vida útil de los elementos sujetos a prueba, fue entonces que surgieron los ensayos no destructivos, con los cuales se puede determinar el estado de los materiales sin inutilizar a los mismos.

Bibliografía

• Grahl, Fredo, Ensayo de los metales y de materiales de construcción. Barcelona : José Montesó, 1961

• HANS, Studeman, Tratamientos de los aceros. Manual del ingeniero Vol. XII Ediciones URNO SA :

• APRAIZ B; José. Tratamiento térmico de los aceros. 8va Edición editorial DOSSAT, S. A. Madrid España (1974).

Stüdemann, Hans. Ensayo de materiales y control de defectos en la industria del metal. Bilbao : Urmo , 1982

2

Universidad Técnica Federico Santa María

Sede Viña del Mar J.M. Carrera

Ing. Mecánica de Procesos y Mantenimiento Industrial