27 Jun
Propiedades Mecánicas y Ensayos de Resiliencia
Definición de Tenacidad
La tenacidad de un material es la capacidad de absorción de energía de una pieza antes de su rotura, siendo lo opuesto a la fragilidad.
Qué es la Resiliencia
La resiliencia es la capacidad de un material para absorber energía elástica cuando es deformado y liberarla cuando la carga se retira. Se mide mediante un ensayo que consiste en romper en un solo golpe una probeta normalizada (EN 10045-1) con una entalla en forma de U o V para facilitar la rotura. La resiliencia valora la tenacidad.
Ensayos para Medir la Resiliencia
Los dos ensayos principales para medir la resiliencia son el de Charpy y el de Izod.
Ensayo de Resiliencia Charpy
El ensayo de Charpy utiliza un péndulo oscilante anclado a un brazo. La masa pendular se deja caer libremente desde una altura inicial (h1) y un ángulo (α), impactando la probeta previamente preparada. Tras el impacto, el péndulo continúa su trayectoria hasta una altura final (h2) y un ángulo (β) de llegada. Un sistema registra los datos obtenidos para calcular la energía absorbida.
Probetas en el Ensayo Charpy
Las probetas, de 55 mm de longitud, se sitúan verticalmente, apoyadas en sus extremos por la parte contraria a la entalla.
Cálculo de la Energía Absorbida en Charpy
La energía absorbida (Ea) se calcula mediante la fórmula: Ea = Masa x Gravedad x (Altura inicial - Altura final). Las unidades se expresan en Julios (J) o Julios por centímetro cuadrado (J/cm²).
Ensayo de Resiliencia Izod
El ensayo Izod puede realizarse con el mismo péndulo de Charpy, pero se cambia el martillo por uno de un peso específico (aproximadamente 27.2 kg o 60 libras). Las probetas son de 130 x 10 x 10 mm, con tres entallas de 45° y 2 mm de profundidad, y se colocan verticalmente. El proceso es similar al de Charpy, donde la probeta se rompe por las entallas.
Ensayos Mecánicos Específicos
Definición de Esfuerzo de Flexión
El esfuerzo de flexión ocurre cuando fuerzas externas actúan sobre un cuerpo, tendiendo a doblarlo. Este fenómeno provoca un alargamiento de las fibras en una parte (tracción) y un acortamiento en la parte opuesta (compresión). La zona de transición entre tracción y compresión se conoce como fibra neutra. Estos esfuerzos son comunes en estructuras como puentes, vigas y perfiles de maquinaria.
Ensayo de Flexión: Proceso y Resultados
El ensayo de flexión implica someter probetas, apoyadas libremente en sus extremos, a un esfuerzo aplicado en el centro. Este ensayo mide la deformación del eje de la pieza y permite determinar el módulo de elasticidad al aplicar diferentes cargas (P) y medir las flechas (deformaciones) resultantes.
Fibra Neutra y Flecha en Flexión
La fibra neutra es la zona de transición dentro de un material sometido a flexión, donde no hay ni tracción ni compresión. La flecha se refiere a la deformación transversal máxima que experimenta el eje de la pieza después de la aplicación de la carga.
Comportamiento del Material en el Ensayo de Flexión
Tras realizar el ensayo de flexión, se obtiene un gráfico que muestra las deformaciones elásticas y plásticas del material. Durante la fase elástica, las flechas son directamente proporcionales a las cargas aplicadas. Este comportamiento finaliza al alcanzar el límite elástico de flexión. El punto final del ensayo es el límite de rotura o el plegado completo de la pieza.
Zonas Características del Gráfico de Flexión
- Zona OA o de Proporcionalidad: Las deformaciones (flechas) son directamente proporcionales a los esfuerzos de flexión aplicados a la probeta.
- Zona AB o de Deformaciones Permanentes: Las flechas aumentan en mayor medida que los esfuerzos y se vuelven permanentes.
- Zona BC: Un pequeño aumento de la carga provoca la rotura de la probeta. En materiales muy plásticos, la pieza puede doblarse sin llegar a romperse.
Ensayo de Pandeo
El pandeo es un fenómeno de inestabilidad elástica que afecta a elementos esbeltos sometidos a compresión. Se manifiesta por la aparición de desplazamientos transversales significativos respecto a la dirección principal de compresión. En este ensayo, se determina la carga crítica (Fcrítica) a la cual la pieza falla por pandeo.
Ensayo de Cizallamiento
El ensayo de cizallamiento busca determinar el comportamiento de un material bajo esfuerzos cortantes. Se aplica directamente sobre piezas que suelen sufrir este tipo de esfuerzo, como tornillos, roblones, chavetas, bulones o ejes. Los resultados se representan en una gráfica que relaciona los esfuerzos cortantes con las deformaciones, mostrando una zona de proporcionalidad y una zona de plasticidad que culmina en la rotura de la probeta.
Ensayo de Punzonado
El ensayo de punzonado es una variante del ensayo de cizallamiento, donde el esfuerzo cortante se aplica sobre una sección circular.
Ensayo de Torsión
El ensayo de torsión se efectúa en piezas cilíndricas. Un extremo se sujeta rígidamente, mientras que en el extremo opuesto se aplica un momento torsor que retuerce el elemento. Este proceso genera esfuerzos cortantes que varían en función de la distancia al eje neutro, así como ángulos de torsión.
Ensayo de Doblado
El ensayo de doblado consiste en deformar una probeta por flexión, aplicando una carga lenta y progresiva hasta alcanzar un ángulo predeterminado. Se utiliza con prensas o equipos equipados con dos apoyos y un mandril, una matriz en forma de «V» con un dispositivo de ajuste, o una mordaza y un mandril.
Ensayo de Fluencia (Creep)
El ensayo de fluencia, también conocido como creep, se realiza cuando un material está sometido a esfuerzos permanentes y elevadas temperaturas, observándose deformaciones progresivas a lo largo del tiempo. Para estudiar el comportamiento del material, se consideran tres variables principales, aislando una mientras las otras dos se mantienen constantes:
- Cargas: Manteniendo constantes la temperatura y el tiempo, se obtiene una gráfica del comportamiento del material en función de las cargas aplicadas.
- Temperatura: Con la carga y el tiempo constantes, se genera una gráfica que muestra el comportamiento del material con respecto a la temperatura en el fenómeno de fluencia.
- Tiempo: Al mantener constantes la carga y la temperatura, se registra una gráfica del alargamiento del material a lo largo del tiempo.
Ensayo de Embutido
El ensayo de embutido consiste en comprimir una lámina, chapa o plancha mediante un punzón de cabeza esférica, provocando que el material fluya y se deforme plásticamente. La probeta se sujeta en un dispositivo de anclaje y se aplica movimiento al punzón para que presione y deforme la muestra. El proceso puede observarse mediante un microscopio. El ensayo se detiene al detectar la primera grieta, momento en el que se registra la profundidad de embutición. Esta es la distancia que recorre el punzón desde que entra en contacto con la pieza hasta la finalización del ensayo. Se recomienda realizar al menos tres mediciones para obtener resultados más precisos y fiables.
Ensayo de Fatiga
El ensayo de fatiga simula el proceso de romper un alambre doblándolo repetidamente en sentidos alternos, lo que fatiga el material hasta su fractura. Este ensayo evalúa el comportamiento de los materiales bajo cargas cíclicas o repetitivas. Dado que es prácticamente imposible determinar un límite de fatiga absoluto, se establece un límite práctico de fatiga. Este se define como la tensión máxima que no provoca la rotura de la probeta, incluso después de un número muy elevado de ciclos de carga.
Ensayos Metalográficos: Definición y Fases
Los ensayos metalográficos son procedimientos que permiten estudiar la microestructura de un material. Un cambio en esta microestructura, a menudo inducido por un tratamiento térmico, puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas del material. Estos ensayos comprenden la preparación de una muestra y la observación de su microestructura. Las fases principales son:
- Desbaste
- Pulido
- Ataque químico
- Observación con microscopio
Preparación de la Muestra Metalográfica
La preparación de la superficie es crucial para la observación metalográfica. Es necesario realizar cortes para extraer muestras que permitan determinar la naturaleza del material, su homogeneidad, la presencia de segregaciones, entre otros aspectos. Los pasos a seguir son:
- Extracción de la muestra: Selección y corte de la porción representativa del material.
- Montaje de la muestra: Fijación de la muestra en un soporte adecuado para su manipulación y observación.
- Desbaste: Reducción de la rugosidad superficial con pulidora de disco.
- Pulido: Eliminación de marcas y minimización de la rugosidad (mecánico o electrolítico).
- Ataque: Revelado de la microestructura (químico, electrolítico o pulido en relieve).
- Observación: Examen de la microestructura con microscopio.
Selección y Extracción de la Muestra
La selección de la muestra depende del material a examinar. Puede realizarse de forma alineada con las fibras o perpendicular a estas. En el caso de fundiciones, es importante considerar si la muestra se toma del interior o de los bordes. Generalmente, se utilizan muestras de pequeño tamaño, y un mayor número de muestras aumenta la validez de los resultados. La extracción se realiza por corte, habitualmente con sierra, o con discos abrasivos para piezas de mayor tamaño.
Proceso de Desbaste
El desbaste busca reducir la rugosidad superficial de la muestra. Se realiza con desbastadoras de disco que utilizan papeles de esmeril con diferentes tamaños de grano. El procedimiento consiste en frotar la superficie de la probeta contra el abrasivo hasta que solo sean visibles las marcas del grano utilizado. Posteriormente, se repite el proceso girando la probeta 90° y utilizando un tamaño de grano progresivamente menor, completando así varias etapas.
Proceso de Pulido
El pulido es la etapa final en la preparación de la superficie de la probeta antes del ataque químico. Su objetivo es reducir las marcas del desbaste y minimizar la rugosidad superficial. Puede ser mecánico o electrolítico. Se considera finalizado cuando la probeta, observada bajo el microscopio a 100 aumentos, no presenta ningún tipo de raya.
Proceso de Ataque Químico
El ataque químico tiene como finalidad resaltar los constituyentes del material, el tamaño de grano y sus proporciones. El proceso implica: primero, lavar la probeta con abundante agua y secarla; luego, lavarla nuevamente con alcohol etílico y secarla. Posteriormente, se realiza el ataque sumergiendo la probeta en el reactivo con la superficie pulida hacia abajo, evitando que toque el fondo del recipiente, y se le da un ligero movimiento para prevenir la formación de burbujas en la superficie.
Observación Microscópica y Datos Obtenidos
La observación microscópica permite extraer información valiosa, como:
- Constituyentes presentes en las probetas.
- Control de los tratamientos térmicos.
- Tamaño y forma de los granos.
- Defectos como porosidades, grietas o microrechupes.
- Corrosión intergranular.
- Naturaleza de las microinclusiones no metálicas.
- Presencia de capas superficiales cementadas o nitruradas.
Ensayos No Destructivos (END): Concepto y Aplicaciones
Los Ensayos No Destructivos (END) son métodos de inspección que permiten localizar defectos o discontinuidades en materiales y componentes sin alterar sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los principales tipos de END son:
- Inspección visual
- Líquidos penetrantes
- Partículas magnéticas
- Ensayos de ultrasonidos
- Ensayos radiográficos
Tipos de Defectos Detectables con END
Los END permiten detectar principalmente defectos superficiales y macroscópicos, así como algunas discontinuidades internas, dependiendo del método.
Inspección Visual
La inspección visual es el método más básico y se divide en:
- Inspección Macroscópica: Se realiza a simple vista para identificar defectos como grietas grandes, imperfecciones en soldaduras, estado superficial general o corrosiones.
- Inspección Microscópica: Implica el estudio de las características estructurales del material a través de un microscopio para detectar defectos a menor escala.
Líquidos Penetrantes
El ensayo por líquidos penetrantes permite visualizar defectos superficiales (externos) que estén abiertos a la superficie. El proceso incluye:
- Limpieza inicial de la superficie.
- Aplicación del líquido penetrante.
- Eliminación del exceso de penetrante.
- Aplicación del revelador.
- Inspección y evaluación.
- Limpieza final.
Partículas Magnéticas
Los ensayos por partículas magnéticas permiten detectar defectos superficiales y subsuperficiales (internos cercanos a la superficie) en materiales ferromagnéticos. El procedimiento es:
- Magnetización de la zona a inspeccionar.
- Aplicación de las partículas magnéticas.
- Interpretación y evaluación de las indicaciones.
- Registro de los hallazgos.
- Desmagnetización de la pieza.
- Limpieza final.
Ensayos por Ultrasonidos
Los ensayos por ultrasonidos utilizan ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos internos en materiales. Un transductor emite pulsos ultrasónicos que viajan a través del material y se reflejan en las discontinuidades. La interpretación de los ecos reflejados permite localizar y caracterizar los defectos.
Ensayos Radiográficos
Los ensayos radiográficos emplean radiación (rayos X o rayos gamma) que atraviesa la pieza a inspeccionar. La radiación es absorbida de manera diferente por el material y por las discontinuidades, impresionando una película radiográfica sensible a la intensidad del flujo pasante. La interpretación de la imagen fotográfica resultante permite detectar defectos internos.
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