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CLASIFICACIÓN DE ENSAYOS PARA MATERIALES
 

CLASIFICACIÓN DE ENSAYOS PARA MATERIALES

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TEMA PARA LA MATERIA DE INGENIERÍA DE MATERIALES...t/t

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    CLASIFICACIÓN DE ENSAYOS PARA MATERIALES CLASIFICACIÓN DE ENSAYOS PARA MATERIALES Document Transcript

    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Objetivo de los ensayos: Conocer las propiedades de los nuevos materiales, lainfluencia de la composición química o de los tratamientostérmicos. Evaluar el futuro comportamiento de una pieza enservicio. Determinar las posibles causas del fallo en servicio deuna pieza y las formas de evitarlo en el futuro. Seleccionar los materiales más adecuados para undeterminado uso.Clasificación de los ensayos: Químicos: Determinar la composición química yresistencia a los agentes químicos del material. Metalográficos: Emplear microscopios para observar lamacro y microestructura, es decir, el tratamientomecánico y térmico que ha sufrido el material. Físicos: Evaluar las propiedades físicas y detectarheterogeneidades y defectos internos del material. Mecánicos: Evaluar la elasticidad y resistencia delmaterial.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos metalográficos: clasificación. Macroscópicos: desde simple vista hasta 15 aumentos. Microscópicos: desde 15 aumentos en adelante. Ensayos metalográficos: fases previas. Selección y extracción de la probeta: Depende del fin ainvestigar (exterior, central, paralela, perpendicular,etc.). Desbaste: Poner al descubierto la superficie metálicalibre de impurezas y dar conformación plana (limas, muelasde esmeril, carborundum, diamante, papel de esmeril). Pulido: Obtención de una superficie reflectora (conabrasivos metalográficos: Macroscopía. Ensayos o electrolíticamente).Suministra información sobre la macroestructura:  Segregaciones.  Inclusiones no metálicas.  Tratamientos termoquímicos.  Defectos de fabricación.  Orientación de los granos.  Penetración del temple.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos metalográficos: Macroscopía.Se puede llevar a cabo sobre:  Superficies naturales (fracturas).  Superficies preparadas sin ataque.  Superficies preparadas con ataque. Impresión del azufre (Baumann): H2SO4 2% FeS+H2SO4→FeSO4+H2S AgBr MnS+H2SO4→MnSO4+H2S Pieza Ag2S+2HBr←2AgBr+H2S Impresión del fósforo: Molibdato HNO3 amónico Fosfomolibdato Pieza HCl/ SnCl2 Azul de Molibdeno
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos metalográficos: Microscopía.Suministra información sobre la macro y microestructura:  Estructuras de las aleaciones (tratamientos térmicos).  Tamaño y forma de los granos.  Naturaleza de las inclusiones no metálicas.  Defectos microscópicos.  Corrosiones intregranulares.  Capas superficiales. Microscopio Metalográfico Lente Lente Colectora Ocular Espejo Foco Plano Luminoso Objetivo Espejos Cóncavos Muestra
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos metalográficos: Microscopía. Microscopio Electrónico Cañón de electrones Haz de electrones Las lentes magnéticas enfocan el haz de Lentes condensadoras electrones sobre magnéticas la muestra de 5 a 200 nm Controles de las bobinas de barrido Lentes objetivo magnéticasDetectorde Rayos x Detector de e- Muestra PantallaA la bomba de vacío Interacciones elásticas: electrones retrodispersados. Interacciones inelásticas: electrones secundarios, electrones Auger, rayos X y a veces fotones de longitudes de onda más corta.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos físicos: clasificación.  Ensayos térmicos.  Ensayos magnéticos.  Ensayos eléctricos.  Ensayos de penetración superficial.  Ensayos de ultrasonidos.  Ensayos de rayos x.  Ensayos de rayos γ. Ensayos físicos: ensayos térmicos. Consisten en medir alguna propiedad (absorción odesprendimiento de calor, dilatación, conductividadeléctrica, imanación, volumen específico, etc.) del metalen función de la temperatura o el tiempo. En los métodos térmicos diferenciales se mide ladiferencia de la propiedad del metal problema respecto aun testigo. Permiten determinar los puntos críticos ya que alcambiar la estructura se producirán cambios bruscos en lapropiedad medida.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos físicos: ensayos magnéticos. Consisten en medir variaciones de alguna propiedad magnética debida a perturbaciones estructurales. Ensayos físicos: ensayos eléctricos. Consisten en medir variaciones de alguna propiedad eléctrica debida a perturbaciones estructurales. Ensayos físicos: ensayos de penetración superficial. Consisten en detectar defectos superficiales haciendo entrar en la pieza un líquido que posteriormente se detecta con métodos adecuados. Cabe citar:  Por exudación de aceite.  Por fluorescencia.  Por exudación de un líquido coloreado (xilol, tetralina, alcohol isopropílico y rojo organol).  Empleando una disolución de isótopos radioactivos (sal de torio).
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos físicos: ensayos con ultrasonidos. Consisten en en detectar defectos internos basándose en la reflexión de las ondas sonoras al atravesar medios de diferente densidad. Emisor Emisor Receptor Pieza Defecto Pieza Defecto Receptor Transmisión Reflexión Ensayos físicos: ensayos con rayos X. Consisten en en detectar defectos internos basándose en la absorción de rayos X. Io Io Pieza Defecto I I´
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos físicos: ensayos con rayos γ. Consisten en en detectar defectos internos basándose en la absorción de rayos γ. Ventajas:  Posibilidad de examinar piezas de mayor espesor.  Instrumentación más sencilla.  Resulta más sencillo alcanzar partes de las piezas poco asequibles.  Facilidad de transporte al pie de obra. Inconvenientes:  Peligro del empleo de material radioactivo.  Para pequeños espesores la sensibilidad no es buena.  Tiempos de exposición prolongados (varias horas).
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos)Ensayos mecánicos: clasificación.  Ensayos estáticos:  Tracción.  Compresión.  Cizalladura.  Flexión.  Pandeo.  Torsión.  Ensayos con tensiones múltiples.  Ensayos de dureza.  Ensayos de duración:  Fatiga.  Fluencia.  Ensayos tecnológicos. Ensayos mecánicos: tracción. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: tracción. Diagrama tipo de esfuerzos y deformaciones Lo So F Lv σ= S O Sv F B H A C D F σ = max F S σ = R v S O v σP σF O σE α O ∆l ε= l O
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: tracción.Zona de proporcionalidad (O→A): Se cumple la ley deHooke, es decir, σ = E.ε, donde E es el módulo deelasticidad (E=tgα). Podemos definir:  Límite real de elasticidad (σ E): Mayor esfuerzo que, al dejar de actuar, no produce ninguna deformación permanente.  Límite de proporcionalidad (σ P): Esfuerzo por encima del cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a los esfuerzos aplicados.Información que se obtiene.El valor de E está relacionado con la naturaleza de losenlaces interatómicos (E=f(Tf/V2)):  Los materiales con E elevado se utilizan cuando se precisa una gran rigidez (poca deformación bajo cargas).  Los materiales con E bajo se utilizan cuando se precisa absorber trabajos de choque (elevada
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: tracción.Zona de deformaciones permanentes (A→F): Al cesar elesfuerzo la probeta no recupera la longitud inicial. Porencima de B el material se comporta de forma plástica(conserva la deformación permanente) y comienza lafluencia (el material se alarga aunque no aumente elesfuerzo o disminuya). Podemos definir:  Límite de fluencia o límite elástico aparente (σ F): Esfuerzo a partir del cual las deformaciones se hacen permanentes.Información que se obtiene.El valor de σ F depende de la composición química delmaterial y del tratamiento térmico al que se hayasometido:  Aumenta con el contenido en carbono.  Aumenta con el temple y disminuye con el revenido y recocido.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: tracción.Zona de estricción y rotura (F→H): Se produce unadisminución importante de la sección (estricción). Alaumentar la estricción el esfuerzo disminuye. Podemosdefinir:  Esfuerzo de rotura (σ R): Esfuerzo máximo que soporta la probeta.  Esfuerzo último (σ v): Esfuerzo en el momento de la rotura.  Alargamiento de rotura: δ=((lv-lo)/lo)x100.  Estricción de rotura: ψ=((So-Sv)/So)x100.Información que se obtiene.El valor de σ R depende de los mismos factores que σ F:  Cuanto mayor es la diferencia entre σ R y σ F mejor soporta el material las deformaciones plásticas sin romperse.  La diferencia es máxima con el recocido y mínima con el temple.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: compresión. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura o aplastamiento. Carga Probeta Ensayos mecánicos: cizallamiento. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo cortante progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura por deslizamiento a lo largo de la sección de cizallamiento. Carga Probeta
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: flexión. Estudio del comportamiento de un material, apoyado libremente por sus extremos, sometido a un esfuerzo en su parte central progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, midiéndose la deformación producida. Carga Probeta Ensayos mecánicos: pandeo. Estudio del comportamiento de un material, cuya longitud es relativamente grande con respecto a la sección, sometido a un esfuerzo de compresión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la flexión lateral o pandeo. Carga Probeta
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: torsión. Estudio del comportamiento de un material sometido a un esfuerzo de torsión progresivamente creciente, ejercido por una máquina apropiada, hasta conseguir la rotura. Probeta Carga Ensayos mecánicos: tensiones múltiples. Estudio del comportamiento de un material sometido a esfuerzos que actúan en varias direcciones (tensiones múltiples). Ensayo de tracción estática con probetas entalladas. Estudio del efecto de las tensiones triaxiales que se originan en una probeta entallada al someterla a un esfuerzo axial de tracción progresivamente creciente. Entalla Carga Carga Probeta
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: tensiones múltiples.Ensayos por choque: método de Charpy.Consiste en romper mediante un solo golpe, con unpéndulo, una probeta entallada midiéndose laresiliencia, ρ, que es la relación entre el trabajoabsorbido en la rotura (en julios) y la sección derotura (en m2). W = P(H − h) = Pl(cos β − cos α) R W ρ= R S0
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: dureza.Concepto de dureza en metalurgia.Resistencia que oponen los materiales a dejarse penetrarpor otros más duros.Métodos estáticos.Los distintos ensayos de dureza (Brinell, Vickers yRockwell) se diferencian en la forma del penetrador, lacarga aplicada y la forma de expresar los resultados.Dureza de Brinell.La impresión se produce mediante una bola de aceroextraduro (para durezas elevadas carburo de volframio). P d D P 2P H (Kp/mm ) =2 = S πD(D - D − d ) 2 2
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: dureza. Métodos estáticos. Dureza de Brinell. Ventajas Inconvenientes • No destructivo. • Con durezas por encima de • Se puede efectuar en 400 Kp/mm2 no da buenos diversos puntos de la resultados y por encima de pieza (homogeneidad). 600 Kp/mm2 no es aplicable (deformación de la bola). • Fácil de ejecutar • Permite calcular • Lentitud. aproximadamente σ R: σ R=mH+nDureza de Vickers.La impresión se produce mediante una pirámidecuadrangular de diamante. P l2 l1 P 4P H (Kp/mm ) = 2 = 1,8544 S (l + l ) 1 2 2
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: dureza. Métodos estáticos. Dureza de Vickers. Ventajas Inconvenientes • Se pueden medir • Lentitud. materiales de dureza más elevada (hasta 1000 Kp/mm2). • Medidas más precisas.Dureza de Rockwell.La impresión se produce mediante un penetrador dediamante en forma cónica. 10 kg 150 kg 10 kg ho h e =h−h o Ventajas Inconvenientes • Rapidez. • Menos preciso.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: dureza. Métodos dinámicos. Ventajas Inconvenientes • Aparatos muy sencillos y • Menor exactitud y portátiles. precisión. • Rapidez. • Aplicables en cualquier lugar. • Aplicables tanto a piezas grandes como pequeñas.Método de choque (Poldi).Similar al método de Brinell pero aquí la bola actúa porgolpe.Método de retroceso (esclerómetro Shore y duroscopio).Se mide el retroceso de un martillo con punta redondeadade diamante al golpear el material. En el esclerómetro deShore el martillo cae perpendicularmente mientras que enel duroscopio cae pendularmente.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: fatiga.Concepto de fatiga.Rotura de un material, con cargas variables, inferiores ala de rotura, e incluso al límite elástico, siempre queactúen durante un tiempo suficiente.Se denomina límite de fatiga al máximo esfuerzo que noproduce rotura, cualquiera que sea el número deesfuerzos que actúen.Tipos de ensayos. De tracción-compresión con esfuerzo axial: Probetasde sección rectangular o cilíndrica sometidas a unesfuerzo axial alterno de tracción-compresión. De flexión rotativa: Probetas cilíndricas empotradaspor uno de los extremos en un mandril que las hace girara un cierto número de revoluciones mientras por el otroextremo actúa un momento flector constante. De flexión plana: Probetas de sección rectangularempotradas por un extremo y sometidas por el otro a unmomento flector alterno. De torsión: Probetas de sección circular empotradaspor un extremo y sometidas por el otro a un momento detorsión alterno.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: fluencia viscosa (creep).Concepto de fluencia viscosa (δ).Deformación lenta en función del tiempo, después de laaplicación del esfuerzo, de materiales sometidos atemperaturas elevadas (300-1400ºC) y cargaspermanentes. δ=f(σ,T,t)Realización del ensayo. Se obtienen las familias de curvas de δ frente a t paradistintas cargas. Del gráfico se deduce la velocidad defluencia (dδ/dt) en un instante dado para cada carga y ala temperatura del ensayo. Se obtienen una familia de curvas para cadatemperatura. Se obtiene la familia de rectas para un tiempodeterminado (p.e. 1000 horas). Se obtiene la familia de curvas temperatura/carga. T=Kte dδ/dt σ T δ v 4 σ 4 v 3 3 v3 v3 v1 σ2 v2 v2 v2 σ1 v1 v1 1000 h σ1 σ2 σ3 t σ σ
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: ensayos tecnológicos.Concepto de ensayos tecnológico.No se pretende obtener valores cuantitativos sino unjuicio rápido y aproximado sobre alguna característica delmaterial.Ensayo de chispa.Consiste en presionar contra una muela de esmeril untrozo de acero observando el haz de chispas que seobtiene, así como el color y la forma de las mismas. Seobtiene información sobre la composición química.Ensayo de fractura.Consiste en producir una fractura en el material porcualquier procedimiento y examinarla con una lupa. Seobtiene información sobre el estado del material.Ensayo de forjado.Consiste en conocer de antemano el comportamiento delmaterial frente a un tipo de trabajo de forja.Ensayo de desgaste.Consiste en evaluar la resistencia al desgaste porrozamiento de los materiales midiendo el peso del mismoantes y después del ensayo.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: ensayos tecnológicos.Ensayos sobre planchas. Plegado: Consiste en doblar el material observando siaparecen grietas en la parte exterior de la curva. Seobtiene información sobre la plasticidad del material. Doble plegado: Consiste en doblar una lámina fina endos direcciones perpendiculares observando si aparecengrietas. Doblado alternativo: Consiste en doblar una lámina fina90º hacia uno y otro lado contando el número de vecesrequerido para que la lámina se rompa. Recuperación elástica: Consiste en doblar una láminafina un determinado ángulo θ, dejando posteriormente lalámina en libertad y midiendo el ángulo final θ 1. A θ-θ 1se denomina ángulo de recuperación elástico. Embutido: Consiste en medir la capacidad para resistirdeformaciones hasta la aparición de roturas al embutir enla plancha una pieza esférica. Según el aspecto quepresenta la rotura se obtiene información sobre la calidadde los tratamientos térmicos.
    • ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Productos Finales (Ensayos) Ensayos mecánicos: ensayos tecnológicos.Ensayos sobre tubos. Doblado: Consiste en rellenar un tubo de paredesdelgadas con plomo o arena y doblar en torno a un yunquemidiendo el ángulo en el que aparece la primera grieta. Plegado: Consiste en colocar el tubo entre dos planchaspresionando hasta que las paredes interiores se unen oadaptan a una pieza rectangular colocada en su interior.Se examina si aparecen grietas. Ensanchamiento: Consiste en doblar hacia fuera losbordes del tubo 60º, 90º y 180º observando si aparecengrietas. Presión interior: Consiste en introducir líquidos o gasesa elevada presión observando si aparecen grietas.Ensayos sobre varillas y alambres.Se realizan ensayos de doblado, doblado alternativo,plegado, doblado con entalla, arrollamiento (enroscar unalambre en torno a otro de igual diámetro y después seendereza observando la superficie) y torsión (se sujeta elalambre por un extremo y se hace girar por el otrocontando el número de vueltas necesario para romperlo).