1 APUNTES DE CALIDAD CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIモN MECチNICA Ciclo de “PRODUCCIÓN POR MECANIZADO”, Módulo de “CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIモN MECチNICA BLOQUE DE CONTENIDOS II: TノCNICAS DE ENSAYO Profesores: Raquel Escribano Alcaide Pierre Clouet Pérez
66
Embed
CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIÓN MEC`NICAlavirtu.com/eniusimg/enius4/2009/44/adjuntos_fichero_408745.pdfResistencia de un material a ser penetrado por otro ... pero como en ocasiones
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
APUNTES DE CALIDAD
CONTROL DE CALIDAD
EN FABRICACIÓN MECÁNICA
Ciclo de “PRODUCCIÓN POR MECANIZADO”,Módulo de “CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIÓN MECÁNICA
Módulo: CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIÓN MECÁNICA
Curso: 2º
Ciclo Formativo: Producción por Mecanizado
3
ACTIVIDAD INTRODUCTORIA
UD 6: Ensayos destructivos
1. Mediante que ensayo se determinan las siguientes características:- Zona elástica, limite de fluencia y Moduló de Younga. Ensayo de flexiónb. Ensayo de tracción
2. - Resilenciaa. Ensayo Rockwellb. Péndulo de Charpa
3. Que definición de dureza es la correctaa. Resistencia de un material a ser penetrado por otrob. Resistencia de un material a ser rayado por otroc. ambas
4. Cuales de las siguientes definiciones es la correctaa. El limite de fatiga es el esfuerzo máximo que resiste una probeta sometidaa una carga con temperaturab. El limite de fatiga es el esfuerzo máximo que resiste una probeta sometidaa una carga alternativa
5. Ensayos tecnológicosa. Determinan una característica de un materialb. Determinan una cualidad de un material< TOTAL RESPUESTAS CORRECTAS >
Eva
luac
ión
prev
ia
Eva
luac
ión
post
erio
r
4
UD.6: ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
3. ENSAYO DE TRACCIÓN
4. ENSAYO DE COMPRESIÓN
5. ENSAYO DE RESILIENCIA
6. ENSAYO DE DUREZA SUPERFICIAL
7. ENSAYO DE FLUENCIA
8. ENSAYO DE PANDEO
9. ENSAYO DE TORSIÓN
10. ENSAYO DE FATIGA
5
1. INTRODUCCIÓNLos ensayos de materiales son procedimientos normalizados que tienen por objeto
comprobar las características y propiedades de los materiales o descubrir defectos
en piezas. Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan
ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones.
Los ensayos de materiales pueden dividirse en:
Ensayos destructivos (ED): la pieza o probeta ensayada resulta “dañada” o
alterada respecto a su situación previa al ensayo.
Ensayos NO destructivos (END): no se produce alteración alguna en la pieza
ensayada.
Ensayos metalográficos: se prepara una pieza o probeta para observar su
estructura interna (grano).
2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALESPara la selección del material de una pieza que va a estar sometido a unas
determinadas cargas o solicitaciones externas es conveniente conocer las
propiedades de dicho material. Dichas propiedades se determinan y cuantifican a
través de los ensayos de materiales.
Algunas de las propiedades más importantes de los materiales que nos interesa
conocer son:
Densidad: es la masa contenida por unidad de volumen.
V
m ρ: densidad (
3m
kg ); m: masa (kg); V: volumen (m3)
Elasticidad: es la propiedad que tienen los cuerpos de recuperar su forma
primitiva cuando cesa la fuerza que actuaba sobre ellos.
Resistencia: es la aptitud que presenta un material a soportar una carga externa,
esfuerzo o deformación.
Flexión: es la acción de doblarse que tiene lugar cuando un cuerpo está sometido
a fuerzas perpendiculares a su eje longitudinal.
Tenacidad o resiliencia: cuando la rotura se produce tras una deformación
plástica del material que ha sido sometido a una carga.
6
Fragilidad: cuando la rotura se produce de repente y sin deformación plástica
cuando ha sido sometido a una carga. Es lo contrario de la tenacidad.
Ductilidad: facilidad para deformarse en “hilos”.
Maleabilidad: facilidad para deformarse en “láminas”.
3. ENSAYO DE TRACCIÓNEs el ensayo destructivo más importante. Consiste en someter a una probeta
normalizada a esfuerzos de estirado progresivos y crecientes hasta llegar a su
rotura. Para ello se utiliza una máquina de ensayo, consistente de dos mordazas,
una fija y otra móvil, entre las cuales se sitúa la probeta.
La fuerza sobre la probeta (material a ensayar) es registrada y controlada durante
todo el ensayo. Al mismo tiempo se controlan los alargamientos de la misma. Las
máquinas poseen un plotter que dibuja la relación existente entre el alargamiento de
la pieza (eje X) y la carga aplicada (eje Y). El resultado del ensayo es la curva
característica del material. Curva tensión-deformación.
7
Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la
probeta se comporta como un muelle o resorte: si cesa la carga en esa zona, la
probeta regresa a su longitud inicial.
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el límite deelasticidad, 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. 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 límite de elasticidad,pero como en ocasiones es difícil de determinar se utiliza el límite de fluencia. Se
define como punto de fluencia el correspondiente a una deformación permanente del
0,2% (ε = 0,002).
Cuando el material está en zona de deformación plástica, la fuerza de estiramiento
puede seguir aumentando hasta llegar a un valor máximo en Fmáx, a partir del cual
se produce la ruptura de la probeta. El valor de Fmáx depende de cada material.
La siguiente figura muestra la forma de la probeta al inicio, en el momento de llegar
a la carga máxima y tras la ruptura.
8
FORMA Y DIMENSIONES DE LAS PROBETAS
Está normalizado (la norma para la realización de este ensayo indica que
dimensiones deben tener las probetas). Normalmente se trata de probetas cilíndricas
o de chapa plana.
Considerando una probeta cilíndrica tendríamos:
4
202
0
DRS
La figura muestra una probeta al inicio y al final del ensayo, indicando las medidas
iniciales necesarias.
La ductilidad del material es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para
alcanzar grandes deformaciones sin romperse (capacidad para deformarse
9
formando hilos). La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un
material poco dúctil es frágil. La gráfica siguiente permite visualizar estos dos
conceptos gráficamente.
Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta,
se dividen las cargas por la sección transversal inicial S, obteniéndose:
ESFUERZO O TENSIÓN:S
F σ: esfuerzo o tensión (
2cm
kg ) )(2
Pam
N (MPa =
106 Pa)
Para expresar el alargamiento en términos independientes de la longitud de la
probeta, se dividen el alargamiento sufrido por la longitud inicial de la pieza, L,
obteniéndose:
ALARGAMIENTO O DEFORMACIÓN UNITARIA:0
0
L
LLF
ε: deformación por unidad de longitud (adimensional); LF = longitud final; L0 =
longitud inicial
A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede
obtener la curva Esfuerzo-Deformación σ – ε. En el gráfico siguiente se presenta un
ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un material.
10
En la zona elástica se cumple: E
E: Módulo de Elasticidad. Es un valor característico de cada material. Para el acero
vale 2,1x1062cm
kg
En los siguientes ejemplos de curvas σ - ε se puede observar las características de
cada material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación
ante cargas pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad,
ambos no tienen una zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son
materiales frágiles. La única diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.
Distintas curvas σ - ε , en (1000 lb/pulg2).
DEFOR.ELÁSTICA
DEFORMACIÓNPLÁSTICA
11
Ejercicio. Se realiza un ensayo de tracción con una probeta cilíndrica de un metal
con un diámetro de 10 mm y una longitud de 50,8 mm (después de la fractura la
longitud final es de 54,1 mm). Los resultados obtenidos en el ensayo de tracción se
dan en la gráfica tensión - deformación. Se pide:
(a) El módulo de elasticidad.
(b) Esfuerzo de rotura.
(c) Aplicando un coeficiente de seguridad de 2,5, calcula la fuerza máxima que
se le puede aplicar.
(d) ¿Se trata de un material dúctil o frágil?
deformación unitaria x
esfu
erzo
de
tens
ión,
MP
a
0 2 4 6 8
150
100
50
E
R
FR
10-2
200
12
4. ENSAYO DE COMPRESIÓNEste ensayo estudia el comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de
compresión, progresivamente creciente, hasta conseguir la rotura o aplastamiento.
Se suele utilizar en materiales frágiles (piedras y hormigón) y en todos aquellos
materiales que se van a utilizar bajo este tipo de esfuerzos. Se emplea mucho
menos que el de tracción y muy poco en fabricación mecánica.
Suministra menos información y es dificultoso de realizar, ya que exige que las
caras de las probetas sean perfectamente paralelas a la máquina. En caso contrario
se producen roturas no representativas del comportamiento del material.
La resistencia a la compresión es mayor que la resistencia a la tracción. Se obtiene
de la expresión:
0S
F
2mm
kg
La longitud y sección de la probeta están normalizadas.
Diagrama de compresión
El diagrama de compresión es semejante al diagrama de tracción. Los datos que
proporciona el diagrama compresión son similares a los de tracción y de signo
contrario; en los materiales elásticos no existe una verdadera carga de rotura por
compresión, ya que se aplastan sin romperse, tomando la forma de tonel.
Dimensiones de las probetas
La probeta normal para materiales metálicos es un cilindro cuya altura es igual al
diámetro. Para medidas de precisión se usa probetas con forma de cilindro regular,
cuya altura es 2,5 a 3 veces el diámetro.
Realización del ensayo
Se emplea la máquina universal debidamente acondicionada. La colocación de la
pieza es delicada ya que la excentricidad de la carga falsearía los resultados del
ensayo.
13
Los materiales plásticos se rompen después de la aparición de grietas superficiales,
mientras que los frágiles lo hacen según un plano de 45° respecto de la dirección del
esfuerzo, por deslizamiento de las superficies de rotura.
5. ENSAYO DE RESILIENCIAHasta ahora, sólo se ha hecho mención a la resistencia de los materiales cuando
estos se ven solicitados a esfuerzos de tracción o compresión. Existen otros
ensayos destructivos que permiten evaluar la resistencia del material frente, por
ejemplo, al impacto (resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía
logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre. El
ensayo entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes
temperaturas. La siguiente figura permite evaluar la diferencia entre probetas antes y
después del ensayo.
14
La resiliencia es la característica mecánica contraria a la fragilidad; a mayor
resiliencia menor fragilidad. Dicho ensayo se llama también de resistencia al choque
y tiene por objeto conocer la resistencia de un metal para soportar una carga
dinámica de choque. Su medida viene dada por la cantidad de trabajo necesario
para provocar la rotura de una probeta entallada, por choque y con un solo golpe,
expresándose su resultado en Kg/mm2.
Fundamentos del ensayo
El ensayo de resiliencia consiste en romper una probeta mediante un solo golpe
aplicado a una velocidad conocida y medir la energía empleada en la rotura. El
modo más sencillo de aplicar un golpe de estas características midiendo, además,
con facilidad la energía consumida es utilizar un martillo pendular.
ghmE p Energía potencial
2
2
1vmEc Energía cinética
Ep1 corresponde a la energía potencial (mgh1) que posee el péndulo en el punto más
alto de su trayectoria antes de dejarlo caer. Esta energía potencial va
transformándose en energía cinética a medida que el péndulo se acerca a la probeta
y, al impactar contra ella, parte de dicha energía se emplea en el proceso de rotura y
h1h2
15
el resto la utiliza el péndulo en su movimiento de ascenso hasta alcanzar la posición
final (instante en el que se detiene para continuar después el movimiento en sentido
contrario). En este punto la energía potencial del péndulo es:
ghmE p 22
Si se considera nula la energía disipada por rozamientos, la energía absorbida
durante la rotura de la probeta será:
)( 2121 hhgmEEE PPABSORBIDA ENERGÍA ABSORBIDA
S
hhgm
S
E )( 21 RESILIENCIA (S es la sección de la probeta utilizada en
el ensayo)
Ejercicio: Se realiza un ensayo de resiliencia (Charpy) dejando caer una maza de 22
Kg desde una altura de 1 m sobre let probeta y, después de romperla, el martillo se
eleva hasta una altura de 0,67 m. Calcular la resiliencia y la velocidad que alcanza la
maza en el momento del impacto.
Ensayo Charpy: Consta de un martillo de 22 Kg. La velocidad en el momento de
impacto oscila entre 4 y 7 m/s variando en función de la altura de lanzamiento y del
peso del martillo.
Las probetas tienen diferentes entallas para facilitar la rotura. Éstas se realizan
mediante taladrado y posterior serrado, de forma que el agujero del taladro sea
perpendicular a las caras de entrada y salida.
Cuando después del choque la probeta no se rompe, la calificación que se da es "sin
romper", dando como valor de resiliencia el máximo de la máquina
Ensayo Izod: La estructura del péndulo es la misma que en el caso anterior (Ensayo
Charpy), pero utiliza probetas colocadas verticalmente, sujetadas por un extremo y
recibiendo el golpe por el extremo libre y por el mismo lado de la entalla. Las
probetas utilizadas tienen 130 mm de longitud y 10 x 10 mm de sección, con tres
entallas de 2 mm de profundidad. Estas entallas están distanciadas unas de otras a
28 mm y el martillo debe golpear la probeta a 22 mm de cada entalla.
16
.
Las probetas son colocadas verticalmente sujetas por el extremo inferior mediante
mordazas y libres en el superior, por donde recibe el golpe. En un ensayo tipo las
probetas se rompen por las tres entallas y el valor de la resiliencia es la media
aritmética de los tres ensayos
6. ENSAYO DE DUREZA SUPERFICIALLa dureza se define como la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se
prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros
elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos,
tolvas). La dureza puede medirse como la resistencia a ser rayado o penetrado por
otro cuerpo.
Si se cuantifica la dureza como la resistencia a ser rayado tenemos los siguientes
Dureza a la lima. Ensayo poco preciso. Permite conocer la dureza aproximada de un
material. Se realiza con una lima.
Si la lima entra en el material, su dureza < 58 HRC
Si la lima NO entra en el material, su dureza > 60 HRC
Ensayo Martens. Consiste en medir la anchura de la raya que produce un
penetrador de diamante piramidal de ángulo 90º y con una carga constante. La
dureza Martens se calcula de la siguiente manera:
2
10000
aDM a: anchura de la huella en micras.
Ensayo Turner. El ensayo da la dureza de un material en función de la carga (F) que
ha sido necesario aplicar para obtener una raya de una anchura determinada.
17
Si se cuantifica la dureza como la reacción elástica de los cuerpos al dejar caer
sobre ellos un material duro:
Ensayo Shore (esclerómetro Shore). Consiste en un tubo de cristal con divisiones y
un pequeño martillo que se deja caer. La dureza se mide en función de la altura de
rebote del martillo.
Ensayo dinámico de dureza al rebote.
Si se cuantifica la dureza como la resistencia a ser penetrado tenemos los siguientes
ensayos:
Ensayo BRINELL HB (Hardness Brinell Number):.
Ensayo ROCKWELL A, B o C HRA, HRB, HRC, ... (Hardness Rockwellseries A, B, C, ...):
Ensayo VICKERS HV (Hardness Vickers Number):
Estos ensayo de dureza se realizan con penetradores en forma de esferas,
pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a
medir el tamaño de la huella que dejan.
A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos
números estandarizados.
Ensayo BRINELL.Penetrador: Bolas esféricas pulidas y sin defectos superficiales.
Existen 3 calidades:
acero con alto contenido en Carbono.
acero templado
carburo de wolframio
Carga = P (entre 31,25 y 3000 kg). Debe cumplirse que 2DKP siendo K una
constante distinta para cada material. K (hierro y acero) = 30 // K (latón, bronce) =5
Al realizar el ensayo la bola se deforma. Para durezas > 600 HB se recomienda
utilizar otros ensayos. (Ensayo indicado para materiales blandos y semiduros).
18
Tiempo = t
Fórmula:)(
2
)(
)(222
dDDD
P
mmS
kgPHBN
S = superficie de la fuella (casquete esférico)
D = diámetro penetrador (entre 1,25 - 10 mm) 5 y 10 mm los más usuales (mm)
d = diámetro de la huella (mm). Se mide mediante lupa o microscopio provisto de
retículo graduado.
La superficie a ensayar debe estar limpia, perfectamente plana y perpendicular al eje
de aplicación de la fuerza y, además, ser lo más homogénea posible.
Se puede obtener una superficie adecuada desbastando con lima o muela de grano
fino. No es necesario pulir, pero si debe eliminarse la cascarilla de óxido en caso de
existir.
En superficies redondeadas se deberá rectificar una zona de tamaño adecuado.
El espesor mínimo de la pieza debe ser de al menos 10 veces d, y la distancia al
borde de la pieza debe ser de al menos 2,5 veces d.
La designación de la dureza es la siguiente: tPDnHB // (350 HB5/750/20)
Ensayo VICKERSEn la actualidad se emplea para medir durezas en piezas templadas y delgadas con
espesores mínimos de hasta 0,2 mm.
Penetrador: Pirámide de diamante de base cuadrada (ángulo 136º)
Carga = P (kg). Desde pocos gramos hasta 120 kg (normalmente 30 o 50 kg)
Fórmula:22
854,1)(
)(
d
P
mmS
kgPHV
S = superficie de la huella
d = diagonal de la huella (mm) (media aritmética de las diagonales)
Ensayo ROCKWELLNo mide la superficie de la huella sino la profundidad de las huellas. Este ensayo se
ideó para medir la dureza más rápidamente. Sirve para todo tipo de materiales
metálicos:
19
- Materiales Blandos: HR BOLA
- Materiales Duros: HR CONO
- Pequeños espesores: HR SUPERFICIAL.
Metodología de los ensayos:
Aproximar el penetrador a la probeta.
Aplicar precarga (10 kg). Registrar h0
Aplicar carga adicional (máx 140 cono y 90 bola). En total max. 150 kg o 100 kg.
durante 5 seg.
Eliminar la carga adicional, pero no la precarga, y medir la profundidad de huella
(h1).
E = h1-h0 (mm)
La dureza se expresa n HRBF o n HRCF
20
Ensayo BRINELL.Penetrador: Bolas esféricas acero
Carga = P (entre 31,25 y 3000 kg)
Tiempo = t (segundos)
Fórmula:)(
2
)(
)(222
dDDD
P
mmS
kgPHB
S = superficie de la huella (casquete esférico)
D = diámetro penetrador (mm)
d = diámetro de la huella (mm)
Ensayo VICKERSPenetrador: Pirámide de diamante de base
cuadrada
Carga = P (kg)
Fórmula:22
72,1)(
)(
d
P
mmS
kgPHV
S = superficie de la huella
d = diagonal de la huella (mm)
Ensayo ROCKWELL CONOPenetrador: Cono de diamante (HRA, HRC,
HRD)
Carga:
PA = 60 Kg // PC = 150 Kg // PD = 100 Kg // PB =
100 Kg)
Formula: HRA, HRC, HRD = 100 – 500e
Ensayo ROCKWELL BOLAPenetrador:Esfera de acero D= 1/16 ‘‘(HRB, HRF, HRG)
Carga:
PB = 100 Kg PF = 60 Kg
PG = 150 Kg PE = 100 Kg
Formula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 – 500e
21
7. ENSAYO DE FLUENCIALa fluencia es la deformación permanente de los cuerpos sometidos a cargas
pequeñas y a temperaturas elevadas.
El límite de fluencia es la carga máxima que puede soportar un cuerpo en un
intervalo de temperaturas sin que se rompa en un tiempo indefinido.
El ensayo se realiza de manera similar al ensayo de tracción pero en el interior de un
horno eléctrico.
8. ENSAYO DE PANDEOPiezas largas y esbeltas sometidas a compresión. Se busca la carga máxima que
soporta la pieza sin fallo por pandeo.
9. ENSAYO DE TORSIÓNNo existe normativa para realizar dicho ensayo. Son útiles para probar la resistencia
de ejes y piezas sometidas a torsión. Las máquinas utilizadas constan de un cabezal
giratorio.
10. ENSAYO DE FATIGAUn ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria, 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.
22
La figura 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.
La curva es decreciente hasta el millón de ciclos, después 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
23
valor Se se utilizará para diseñar elementos sometidos a cargas fluctuantes, como es
el caso de los ejes en general.
24
Ejercicios
1. Explica qué son los ensayos destructivos, los ensayos no destructivos y los
ensayos metalográficos. ¿Cuál es el objeto o finalidad de todos ellos?
2. Explica qué quiere decir que un ensayo es “normalizado”. ¿Cómo influye esta
condición a la hora de realizar el ensayo?
3. Explica en qué consiste en ensayo de tracción. Debes indicar cuales son los
elementos de partida, que maquinaria o equipos se utilizan, como se desarrolla y
cual es el resultado final del ensayo. ¿Cómo puede utilizarse la información extraída
de este ensayo?
4. Una vez realizado el ensayo de tracción se ha obtenido la siguiente curva
característica de un material. Se pide:
(a) Identificar la zona elástica y plástica en la curva. ¿Qué diferencia de
comportamiento existe en estas dos zonas?
(b) ¿Por qué la curva proporciona (esfuerzo o tensión) en lugar de Fuerzas (F)?
S
F F: fuerza; S: sección ¿en qué unidades se expresará ?
25
(c)¿Por qué la curva proporciona (alargamiento o deformación unitaria) en lugar
de Alargamientos ( l )?
0l
l l : incremento de longitud l0: longitud inicial ¿en qué unidades se
expresará ?
(d) La ley de Hooke E ¿en qué zona de la curva característica puede
aplicarse?
E: módulo de elasticidad o módulo de Young.
5. ¿Qué se entiende por dureza de un material? Explica muy brevemente como se
realiza el ensayo de dureza Brinell, Vickers y Rockwell. Indicar en qué se ensayo se
utiliza: penetrador de bola de acero; penetrador de cono de diamante y penetrador
de pirámide de diamante de base cuadrada.
6. ¿Con qué ensayo se mide la resiliencia de un material? Explica brevemente en
que consiste
PRÁCTICAS: Si existe material y equipo realizar el mayor número posible de
ensayos destructivos. Si no existe equipo e instalaciones, visitar un laboratorio de
ensayos de materiales de la universidad o de un instituto tecnológico.
26
UD7: ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Módulo: CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIÓN MECÁNICA
Curso: 2º
Ciclo Formativo: Producción por Mecanizado
27
ACTIVIDAD INTRODUCTORIA
UD 7: Ensayos no destructivos
1. Los Ensayos no destructivos son:a. Ensayos para determinar una propiedad de un materialb. Ensayos para controlar y/o descubrir defectos en un material
2. Que principio utiliza el:- Ensayos Magnéticosa. Distorsión del campo magnético en las grietasb. Distorsión de la conductividad en las grietas
3. - los Ensayos por líquidos Penetrantes:a. La penetración de líquidos en grietas por capilaridadb. La absorción de líquidos por elementos reveladoresc. Ambas
4. - El Ensayos por USa. Rebote de una onda acústica al encontrar grietasb. Absorción de una onda acústica al encontrar grietas
5. Con cual fuente de radiación podrías inspeccionar una pieza de hasta250 mm de espesor:a. Rayos Xb. Rayos < TOTAL RESPUESTAS CORRECTAS >
Eva
luac
ión
prev
ia
Eva
luac
ión
post
erio
r
28
UD7: ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
ÍNDICE1. INTRODUCCIÓN
2. DEFECTOS EN METALES Y ALEACIONES
3. ENSAYOS MACROSCÓPICOS POR INSPECCIÓN VISUAL
4 ENSAYOS POR LÍQUIDOS PENETRANTES
5. ENSAYOS POR CORRIENTES DE FOUCAULT
6. ENSAYOS MAGNÉTICOS
7. ENSAYOS SÓNICOS Y ULTRASÓNICOS
8. INSPECCIÓN RADIOGRÁFICA
29
1. INTRODUCCIÓNLos ensayos no destructivos (END) son procedimientos normalizados de gran
importancia dentro de las industrias de fabricación mecánica pues garantizan la
calidad de los productos fabricados, de la misma manera que pueden ser utilizados
como prueba de piezas en funcionamiento o piezas que han producido roturas
durante el mismo sin causarles ningún tipo de daño.
El aseguramiento de la calidad en muchas fabricaciones (industria aeronáutica,
industria naval, industrias nucleares, etc.), depende, en gran parte, de los ensayos
no destructivos, capaces de determinar defectos interiores en piezas que de otra
forma sería muy difícil detectar.
Dentro de los ensayos no destructivos, los ensayos de inspección ultrasónica, los
rayos X y los métodos de partículas y de inspección por líquidos penetrantes han
sido utilizados con gran éxito durante las últimas décadas. Sin embargo, en los
últimos años han aparecido nuevas técnicas y mejoras de los procedimientos antes
mencionados sobre todo con métodos procesados electrónicamente, registrados y
analizados con ordenador.
Una posible clasificación de los END podría ser la siguiente:
Entre las diversas ventajas que este método ofrece respecto a otros métodos de
Ensayos no Destructivos figuran: gran sensibilidad, extraordinaria rapidez de
respuesta y no necesidad de algún tipo de contacto ni de agente de acoplamiento
entre el generador y la muestra.
6. ENSAYOS MAGNÉTICOSLos ensayos magnéticos o ensayos por inspección de partículas son aplicables a
37
piezas ferromagnéticas obtenidas por cualquier proceso de fabricación e
independiente de su forma. El objeto es detectar posibles discontinuidades, tanto
superficiales como subcutáneas, por medio de partículas magnéticas.
El procedimiento de ensayo se basa en la colocación de la pieza de acero formando
parte de un circuito magnético. Se pulveriza su superficie con aceite y limaduras de
hierro y se observa cómo se producen acumulaciones de limaduras en algunas
zonas que coinciden con las grietas y fisuras (se sitúan formando un puente
magnético para suplir el defecto del material).
Es condición indispensable, para observar este comportamiento, la imantación total
de la pieza para que, de esta forma, se puedan detectar mejor los defectos. Por otro
lado, el polvo magnético utilizado y en suspensión en el líquido, debe tener un color
vistoso para su diferenciación con la pieza. El líquido utilizado suele ser fluorescente
para ser estudiado mejor mediante lámpara de UV.
Una etapa crítica del proceso es la aplicación de las partículas. Existen dos
procedimientos normalizados. El primero de ellos es el método seco, mediante el
cual las partículas se aplican sobre la superficie a inspeccionar en forma de polvo
seco. En el otro procedimiento, método húmedo, las partículas magnéticas se hallan
en suspensión sobre un líquido (disolución acuosa o parafínica). Éste segundo
método es más sensible para detectar pequeñas discontinuidades superficiales.
Las partículas magnéticas pueden ser de dos tipos:
. Fluorescentes. Tienen la propiedad de emitir luz visible cuando son
iluminadas con luz ultravioleta (longitud de onda A. entre 2600 y 4000
A).Poseen malas propiedades magnéticas pero suplen esta deficiencia por
proporcionar alto contraste y buena visibilidad.
. Coloreantes. En función del color de la superficie a examinar se emplean
partículas coloreantes negras o rojizas.
Los aparatos utilizados constan de un generador de corriente continua de potencia
3KW y deben constar de un inversor para desmagnetizar las piezas una vez
examinadas.
38
La localización de las grietas sólo es posible cuando las líneas de fuerza sean
perpendiculares o formen un ángulo máximo de 45° con la dirección de la grieta. Si
no, se imanta la pieza en dos direcciones perpendiculares. Puede utilizarse para
magnetizar las piezas corriente alterna, que genera un campo magnético anular
alrededor del eje de las piezas, que revela las grietas longitudinales.
En cualquier caso es recomendable trabajar con piezas cuyas superficies estén
perfectamente limpias, secas y exentas de cualquier tipo de contaminante (aceites,
cascarilla, óxido, etc.). En el caso de trabajar con conjuntos mecánicos éstos deben
ser desmontados e inspeccionados pieza a pieza. Es un ensayo muy sensible e
indica defectos muy finos, aunque estén en el interior de las piezas.
7. ENSAYOS SÓNICOS Y ULTRASÓNICOSSi una pieza metálica agrietada es golpeada con la ayuda de un martillo puede
escucharse un sonido opaco, las piezas sanas experimentan un sonido vibrante.
Mediante este tipo de ensayo no se obtiene ninguna información sobre la anchura,
dimensiones o situación del defecto. Fue un procedimiento utilizado a principios de
siglo para verificar el buen estado de los materiales.
Los ensayos ultrasónicos son E.N.D. basados en la propagación de una onda de
presión de alta frecuencia (normalmente en el rango de 0,5 a 10 MHz) a través del
material estudiado. Estas vibraciones, que en el material son propagadas por las
propias moléculas, son fácilmente dirigibles y están caracterizadas por una longitud
de onda muy pequeña, de forma que es posible localizar y detectar claramente
pequeños defectos en la pieza seleccionada. La penetración de los ultrasonidos es
muy alta en la mayoría de los metales comunes y sus aleaciones.
Las inspecciones por ultrasonidos pueden ser de dos tipos: por transmisión o por
pulso-eco, según se utilicen dos o un transductor, respectivamente. El primer tipo
consta de un emisor y un receptor. Los cambios en la velocidad y la atenuación
proporcionan información en cuanto a grietas, oclusiones o falta de homogeneidad.
En cambio en el pulso-eco, la señal recibida es un conjunto de ecos originados por
la discontinuidad del material. La utilización de una u otra técnica depende tanto de
39
la aplicación en sí, como de la cantidad de información que se desee extraer, mayor
en el caso pulso-eco, pero también a un coste del sistema superior. Así, de la
posición del eco puede determinarse la profundidad de un defecto; de su amplitud,
una estimación de su tamaño u orientación y de su forma pueden inferirse otras
características.
El campo de utilización de las técnicas de ultrasonidos se extiende, en general, a
todos aquellos ámbitos de la actividad industrial en los que la calidad de los
productos o la seguridad de estructuras, instalaciones o personas están implicadas.
Así, son clásicas las aplicaciones en aeronáutica (revisión en producción y periódica
de estructuras aerodinámicas, motores, etc.), centrales nucleares (revisión de
elementos críticos, soldaduras, etc.), transportes (en especial ferroviario, detección
de grietas en ruedas, soldaduras, etc.), prospección y distribución del petróleo
(oleoductos, columnas de perforación, etc.), industria química (tuberías, válvulas,
reactores, etc.), siderúrgica (control de calidad de planchas, perfiles, etc.), naval
(inspección de estructuras), aeroespacial y todas aquellas en las que se requiera un
alto grado de fiabilidad, un seguimiento de defectos críticos o una detección
prematura de causas de rotura o avería como consecuencia de la corrosión, fatiga
mecánica u otras. En el campo de la automoción, las inspecciones por ultrasonidos
son muy valiosas, pudiéndose aplicar en todo tipo de elementos mecánicos (control
de calidad en ejes, pernos, etc.), detectar oclusiones, defectos de fabricación,
aparición de grietas, revisión en continuo de puntos de soldadura, etc. En la
construcción también puede ser interesante el estudio mediante ultrasonidos del
fraguado del hormigón, pudiendo sustituir a los ensayos destructivos que se realizan
en la actualidad.
Los procedimientos empleados son cuatro:
a) Por transparencia. Se produce la disminución de la intensidad del ultrasonido
emitido por el emisor cuando éste atraviesa una zona defectuosa. El receptor
recibe una intensidad menor que la emitida por el emisor.
b) Por la disminución de la intensidad de eco. En éste procedimiento el emisor y
el receptor se encuentran en la misma superficie y la onda ultrasónica emitida es
reflejada en la cara opuesta del material a ensayar. La disminución de la
40
intensidad detectada por el receptor al atravesar un defecto dará información
sobre la posición y el tamaño del mismo.
c) Por la posición del eco. Este procedimiento es una variante del anterior.
Consiste en ajustar el emisor y el receptor a la distancia en la que mejor se
reciba la onda ultrasónica reflejada en la cara anterior de la pieza a evaluar. La
distancia entre el emisor - receptor y la intensidad ultrasónica determina la
posición y el tamaño del defecto interno.
d) Por la disminución del tiempo invertido por la onda reflejada. Este
procedimiento utiliza un único palpador que consta de un emisor y receptor. Éste
debe ser colocado en la superficie de la pieza a evaluar y el emisor emite la onda
ultrasónica que es reflejada en la cara anterior de la pieza. La información
captada por el receptor indicará dos señales características (debida a las caras
de la pieza evaluada, se produce un cambio del medio del ultrasonido) y el resto
de señales
se deben a defectos internos. La distancia entre cada una de las señales indicará
la posición del defecto, mientras que, la intensidad de la señal definirá la
importancia del mismo.
Los aparatos utilizados en los ensayos de ultrasónicos constan de una unidad
emisora y otra receptora. La primera esta formada por un generador de
oscilaciones de alta frecuencia que puede llegar a generar un ultrasonido de
frecuencia mayor a 20000 ciclos por segundo. La unidad receptora esta formada
por un cristal de cuarzo de caras planas con una membrana en forma de bolsa y
llena de un líquido llamada palpador turgente. Esta se utiliza para mejorar el
contacto del palpador con la superficie de la pieza a evaluar y evitar de esta
41
forma error de apreciación por la rugosidad superficial de la pieza.
La unidad receptora va conectada a un transductor de señal que convierte las
vibraciones mecánicas ultrasónicas en señales eléctricas que pueden ser
representadas en mediante sistemas gráficos o en pantallas de ordenador.
8. INSPECCIÓN RADIOGRÁFICALos rayos X y los y son radiaciones electromagnéticas, al igual que la luz visible,
pero de longitudes de onda Inferiores, por lo tanto más energéticas, muy
utilizadas en la localización de defectos internos en piezas.
Una de las mayores aplicaciones de la inspección radiográfica es el examen de
las soldaduras mediante la observación e interpretación de las imágenes
fotográficas producidas al incidir sobre la muestra los rayos X o γ. Es un
procedimiento que proporciona un documento real de la inspección.
Los rayos X se producen cuando se hace chocar contra un material un haz de
electrones a elevada velocidad mientras que los rayos γ son emitidos por el
núcleo de átomos radioactivos. Ambas radiaciones se caracterizan por
desplazarse en línea recta y tienen la propiedad de localizar defectos internos,
que de otra forma sería muy difícil determinar.
Ensayos por rayos X
Los rayos X tienen un gran poder penetrador para detectar defectos. Atraviesan
fácilmente espesores de material considerable en casi todos los materiales. Las
fallas, grietas, inclusiones, ,tc. de distinta intensidad, absorben las radicaciones
en distinta proporción que el material sano. Estas diferencias se presentan en la
película fotográfica en forma de zonas más oscuras o más claras.
La penetración de los rayos X depende de su longitud de onda. Penetran más las
radicaciones de longitud de onda corta llamadas duras) que las radiaciones de
longitud de onda larga.
Los aparatos utilizados son de tipo fijo o transportable. Las tensiones utilizadas
42
oscilan entre 150.000 y 300.000 voltios, aunque hay mayores. La intensidad de
radiación se expresa en mA y depende de la TOC del filamento y de la intensidad
de corriente que circule por él, que puede ser regulada. Es un procedimiento muy
empleado en el ensayo de defectos en soldadura.
Ensayos por rayos gamma
También son radicaciones electromagnéticas pero de longitud de onda más corta.
La principal fuente de rayos gamma la constituyen los elementos radioactivos como
el radio puro o sus compuestos, bromuro, sulfato, etc. (aunque hoy en día se
emplean más los isótopos radioactivos).
El espesor máximo que puede emplearse en los rayos X es de unos 100 mm. Los
rayos y, pueden llegar a los 250 mm. La radiación emitida por el radio equivale a la
penetración a la que produciría un tubo de rayos X de unos 2000 millones de
voltios.
Las radiografías de los rayos X son más rápidas de obtener (el tiempo de
exposición es de varios minutos), sin embargo, para los rayos y se necesitan
exposiciones de varias horas y espesores superiores a 25 mm. En cuanto al coste
inicial, el coste de los isótopos es más económico que la adquisición de un equipo
de rayos X de potencia equivalente.
De las radiografías no se sacan copias, sino que se utilizan los negativos
directamente. Las zonas oscuras son partes de la pieza que ha dejado pasar más
radiaciones debido a la existencia de huecos interiores o a la existencia de
inclusiones en el material de otros materiales menos densos (escorias). Si se
observan manchas más claras es porque los rayos han encontrado materiales más
densos que el material base.
43
ACTIVIDADES
REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: Se analizará un mínimo de cinco de radiografías
problemas, y se realizará el INFORME durante la propia sesión. Deberá incluir:
-La identificación de la radiografía analizada, por el número que aparece en el
recuadro inferior derecho de la misma.
-Los defectos detectados en cada radiografía, justificando las razones que llevan a
esa identificación.
Procurar dar, así mismo, una valoración global de la soldadura, en términos de 1 a 5,
siendo 1 la mejor y 5 la peor, o tipo perfecta, buena, regular, mala y deficiente.
IMPORTANTE: Cuestiones generales sobre END
Se deberá incluir en el informe una breve disertación sobre los ensayos no
destructivos tratados, comentando que valoración te merecen en lo referente a su
utilidad y a la información que pueden aportar. Indica en qué casos puede interesar
realizar unos u otros, ilustrándolo con algún ejemplo.
44
EJEMPLO DE RADIOGRAFÍA PATRÓN
45
1.- Las CAVIDADES Y POROSIDADES (o SOPLADURAS), por tener menor
densidad que el metal, se dejan atravesar más fácilmente por la radiación, formando
unas impresiones oscuras redondeadas. A veces se unen varios poros formando
rosarios.
CAUSAS:
• METAL BASE: Elevado contenido en C, S, P ó presencia de óxidos por falta de
limpieza en la junta.
• ELECTRODO: Excesiva intensidad de corriente que provoca un calentamiento
excesivo del electrodo y el despegue del revestimiento.
• OPERACION DE SOLDADURA: Excesiva longitud el arco.
EJEMPLO:
2.- Las INCLUSIONES SÓLIDAS (DE ESCORIAS), debido a su baja permeabilidad,
debilitan enérgicamente los rayos X, dando unas impresiones inciertas, irregulares y
desdibujadas. En algunos casos aparecen alineadas. La importancia del defecto
depende del tamaño de la inclusión y la distancia que existe entre ellas, ya que si
46
están próximas, la resistencia del material se reduce mucho. Dado que las escorias
provienen del revestimiento, no tienen las propiedades mecánicas del metal base.
CAUSAS:
• Falta de limpieza de los cordones en soldaduras en varias pasadas.
• Cordones mal distribuidos.
• Inclinación incorrecta del electrodo.
• Baja intensidad de corriente en el electrodo.
EJEMPLO:
3.- Las FISURAS o MICROGRIETAS (LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES),aparecen en la placa como líneas oscuras, onduladas, de grueso variable y
ramificadas.
Las grietas mas peligrosas son las superficiales y orientadas en la dirección
perpendicular a la de máxima solicitación del material. Este defecto inhabilita la
soldadura.
47
CAUSAS:
• METAL BASE: Excesiva rigidez de la pieza. Se da en aceros con excesivo
contenido en C, Mn, S, P.
• ELECTRODO: Material de aportación inapropiado para el metal base que se está
soldando.
• OPERACION DE SOLDADURA: Por enfriamiento demasiado rápido del metal
depositado, por insuficiente precalentamiento de la pieza, o por causas externas al
proceso de soldadura.
EJEMPLO:
4.- La FALTA DE PENETRACION forma impresiones longitudinales en el centro y a
lo largo de la soldadura. El espacio interno no ocupado por el metal de aportación,
es origen de fuertes tensiones, además de resultar un lugar idóneo para que se
inicien procesos de corrosión localizada.
48
CAUSAS:
• Separación de bordes incorrecto.
• Diámetro del electrodo demasiado grueso.
• Excesiva velocidad de avance del electrodo.
• Baja intensidad de corriente de soldadura.
EJEMPLO:
5.- La FALTA DE FUSION o DESPEGO, resulta parecida a las inclusiones de
escorias pero alineadas que aparecen como imágenes oscuras de trazo rectilíneo y
forma uniforme.
La causa física de este tipo de defectos es que no se alcanza la temperatura
adecuada para la fusión del metal de aporte con el metal base y por tanto no se
consigue el proceso metalúrgico de soldar, quedando afectada la unión. Puede ser
causa iniciadora de fisuras que terminen en rotura.
49
CAUSAS:
• METAL BASE: Defectuosa preparación de los bordes.
• OPERACIÓN DE SOLDADURA: Excesiva velocidad de avance del electrodo, o
arco demasiado largo o intensidad muy débil.
EJEMPLO:
6.- Las MORDEDURAS forman sobre la placa sombras oscuras a los lados de la
costura de trazo rectilíneo y ancho uniforme. Este defecto produce una entalla física
que puede dar origen a roturas.
50
CAUSAS:
• Electrodo demasiado grueso.
• Inclinación inadecuada del electrodo.
• Excesiva intensidad de corriente al soldar.
EJEMPLO:
7.- El EXCESO DE PENETRACION (DESCUELGUE) forma sobre la placa sombras
mas blancas longitudinalmente y centradas en la costura. Es el defecto contrario a la
falta de penetración y puede ser muy grave cuando circula un líquido por el interior
de un tuboy puede chocar con el exceso de metal del descuelgue
CAUSAS:
• Separación del borde excesiva.
• Intensidad demasiado elevada al depositar el cordón de raíz.
• Velocidad muy pequeña de avance del electrodo.
• Mal diseño de la junta.
51
REALIZACION DE LA PRÁCTICA: Consiste en reconocer los defectos presentes en
5 radiografías de la colección.
52
UD 8: ENSAYOS METALOGRÁFICOS
Módulo: CONTROL DE CALIDAD EN FABRICACIÓN MECÁNICA
Curso: 2º
Ciclo Formativo: Producción por Mecanizado
53
ACTIVIDAD INTRODUCTORIA
UD 8: Ensayos metalográficos
1. La metalografía se utiliza para:a. Observar la micro estructura y relacionarla con las propiedades físicas delmetalb. Determinar el tamaño de granoc. ambas
2. Microscopio metalográficoa. Utiliza luz reflejada para observar la superficie de una probetab. Utiliza luz por transparencia para observar la superficie de una probeta
3. Preparación de las probetas es necesaria por:a. eliminar la suciedad y defectos superficiales para observar la estructurainternab. dejar la superficie lisa, tipo espejo y poner de relieve los elementos que sequieren observar
4. El grano es:a. el núcleo alrededor del cual se forma la estructura cristalina en la fase desolidificaciónb. las inclusiones de fases distintas que se producen en la fase desolidificación.
5. El tamaño de grano es importante porqué:a. Cuanto más pequeño, más resistente será el materialb. Cuanto más grande, más resistente será el material< TOTAL RESPUESTAS CORRECTAS >
Eva
luac
ión
prev
ia
Eva
luac
ión
post
erio
r
54
UD8: ENSAYOS METALOGRÁFICOS
ÍNDICE1. INTRODUCCIÓN
2. SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA
3. EMBUTICIÓN
4. DESBASTE
5. PULIDO
6. EL ATAQUE MICROGRÁFICO
7. INTERPRETACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS
55
1. INTRODUCCIÓNEn el diseño y construcción de cualquier máquina o estructura se necesitan
materiales que tengan ciertas propiedades mecánicas, económicas, corrosivas, etc.
La resistencia, factor clave en el diseño, es función, de su microestructura. Un
cambio de la microestructura mediante un tratamiento térmico puede mejorar
algunas propiedades mecánicas del material.
Se define la metalografía como el proceso de preparación de una muestra y la
observación de la microestructura de la misma. Comprende las etapas de desbaste,
pulido, ataque químico y observación con microscopio.
La superficie metálica a observar debe ser plana y perfectamente pulida. Por ello es
necesario preparar la muestra a observar mediante desbaste y pulido.
Las etapas que se siguen para realizar un ensayo metalográfico son las siguientes:
Obtención de la muestra
Embutición
Desbaste grosero, intermedio y final
Pulido
Ataque químico
Visualización
2. SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN DE LA MUESTRAAntes de obtener la muestra es necesario conocer el problema que debe estudiarse.
Así, en algunos casos, será necesario obtener una única muestra de un lugar
determinado, pero en otros, deberán obtenerse varias muestras en distintas
posiciones y orientaciones del material.
El modo de obtención de la muestra tiene como objetivo el mantenimiento de las
características originales del material. Así, para materiales blandos y fácilmente
maquinables pueden utilizarse sierras (manuales o mecánicas), mientras que para