Ensayos y Tratamientos de Materiales

Ensayos de Materiales

El ensayo de embutición consiste en embutir una probeta con un punzón en forma de casquete esférico bajo la aplicación de una carga progresiva. El ensayo tiene por objeto determinar la aptitud de la chapa a ser conformada por embutición.

Los ensayos de soldabilidad permiten conocer la aptitud de los metales para ser unidos por soldadura, y consisten básicamente en inspecciones para detección de defectos.

3.7.- Ensayos por líquidos penetrantes.

El ensayo por líquidos penetrantes consiste en la localización de defectos superficiales basándose en la capacidad de determinados líquidos de penetrar por capilaridad en el interior de las grietas y exudar hacia el exterior transcurrido un tiempo.

3.8.- Ensayos por partículas magnéticas.

La inspección por partículas magnéticas consiste en generar un flujo magnético en el interior de una pieza ferromagnética, de manera que ante cualquier defecto, este flujo es desviado creando una fuga en la que se concentrarán las partículas magnéticas de un revelador delatando la presencia del efecto. El proceso de magnetización de una pieza puede realizarse de varias formas :

• Mediante imán : se acerca la pieza al campo magnético de un imán convencional, de manera que las líneas de fuerza penetran en ella imantándola (con una fuerza relativamente débil). Con este método solo podrían detectarse imperfecciones dispuestas transversalmente o con una inclinación de 45º respecto a las líneas de fuerza, ya que para las que están alineadas según el flujo, no se producen perturbaciones.
• Mediante corrientes eléctricas : si una corriente eléctrica de gran intensidad atraviesa un cuerpo longitudinalmente, se genera un campo donde las líneas son como círculos alrededor del cuerpo, es decir, se produce una magnetización circular, mientras que si se hace pasar la corriente a través de una bobina, en su interior aparece un campo magnético longitudinal, en el cual se inserta la pieza, que es atravesada por líneas de fuerza longitudinales. Si una pieza se somete a los dos tipos de campos magnéticos, circular y longitudinal, pueden detectarse todos los defectos, sea cual sea su orientación.

3.9.- Ensayos por ultrasonidos.

El ensayo de inspección por ultrasonidos se basa en la propagación de ondas de presión de alta frecuencia (ultrasonidos) a través del material a estudiar, para detectar discontinuidades en el interior del mismo. La rugosidad de la pieza constituye un factor clave, ya que la existencia de aire entre el elemento piezoeléctrico y la pieza misma

puede provocar malas transferencias de la onda. Por ello, se emplean líquidos un tanto viscosos que además de facilitar el desplazamiento del palpador por la superficie de la pieza, facilita la transmisión de los ultrasonidos.  Para llevar a cabo estos ensayos se utilizan básicamente dos métodos: por transmisión y por impulso-eco:

• por transmisión : consta de un emisor, que emite la onda, y un receptor, que la capta. Si la pieza no presenta alteraciones internas, el receptor capta la totalidad de la onda emitida, mientras que si las hay detectará una intensidad menor que la emitida, transformando la señal recibida en otra señal óptica o eléctrica.
• por impulso-eco : consta de un único palpador que emite y recibe los ultrasonidos. La señal recibida es un conjunto de ecos. Este método aporta más información, aunque su coste también es mayor.

En cualquier caso, la penetración de los ultrasonidos es muy alta para la mayoría de los metales, posibilitando la detección de defectos que se encuentran muy alejados de la superficie.

3.10.-Ensayos radiográficos.

Los ensayos radiográficos consisten en bombardear un material con un haz de rayos X o rayos gamma; la radiación atraviesa la pieza, aunque parte es absorbida por el material, y es proyectada sobre una película radiográfica donde queda registrada una imagen con la estructura interna de la muestra.

3.11.- Ensayos metalográficos.

La metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para relacionarlas con sus propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos. Este proceso tiene varias fases: extracción de la muestra, montaje de la muestra, desbaste, pulido, ataque micrográfico, observación al microscopio.

5.- Materiales metálicos.

Los materiales metálicos son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos, los cuales se obtienen por procesado de minerales con compuestos metálicos, presentes en la naturaleza.Estos materiales, a pesar de presentar características específicas, presentan una serie de propiedades físicas generales que los identifican: buena conductividad eléctrica y térmica, resistencia relativamente alta hasta media temperatura, alta rigidez, alta densidad, alta tenacidad, ductilidad y deformabilidad en general, buena resistencia al impacto. A temperatura ambiente, los metales se presentan en estado solido, con un brillo característico. Aunque en ocasiones

se utilizan los metales puros, las aleaciones metálicas proporcionan mejoras en alguna propiedad particularmente deseable o permiten una mejor combinación de propiedades.

Los materiales metálicos se clasifican en:

• Materialesmetálicos ferrosos: el componente principal es el hierro (Hierro, aceros, fundiciones ,ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales, conglomerados férreos).
• Materiales metálicos no ferrosos: se obtienen de otros metales que no es el hierro. (Aluminio y aleaciones, cobre y aleaciones, magnesio y aleaciones, níquel y aleaciones, titanio y aleaciones, aleaciones de Zinc, plomo y estaño, etc).

5.1.- Materiales metálicos ferrosos.

Las aleaciones férreas se clasifican en : hierros, aceros, fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales, conglomerados férreos.

El acero es una aleación de hierro-carbono, en la que el contenido de este último oscila entre 0,1 y 1,76%. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.

5.1.2.- Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro-carbono con un porcentaje de carbono que puede variar entre 1,76 y 6,67%. Se clasifican en fundiciones ordinarias (blancas o grises), en fundiciones especiales (maleables o modulares) y en fundiciones aleadas. Sus propiedades son: presentan buena resistencia a la comprensión, pero baja resistencia a la tracción, y no soportan bien los esfuerzos de choque. Son duros y frágiles. No son buenos conductoras de la electricidad y el calor. Presentan buena resistencia al desgaste y a las vibraciones. Las fundiciones ordinarias no son dúctiles ni maleables y no se pueden forjar ni laminar. Nunca son sometidas a procesos de de

formación plástica en frío ni en caliente. Presentan buena colabilidad y fusibilidad.

5.2.- Materiales metálicos no ferrosos.

Los metales no ferrosos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Según la densidad, se clasifican en pesados (cobre, estaño, zinc, plomo, níquel, wolframio, ), ligeros (aluminio, titanio,  ) y ultraligeros(magnesio).

6.- Materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos, obtenidos por compactación de un polvo en la forma deseada para su uso, y consolidación de esa geometría mediante un procesa de cocción a alta temperatura, denominado sinterización. Sus características son: baja conductividad eléctrica y térmica, gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura, resistencia a las altas temperaturas, mantenimiento de propiedades mecánicas a altas temperaturas, gran estabilidad química y resistencia a la corrosión, amplia gama de cualidades eléctricas, alta dureza, fragilidad, e indeformabilidad en general, densidad media - baja (varía según el grado de compacidad o porosidad del material), buenas propiedades ópticas.

6.1.- Tipos de materiales cerámicos.

• Cerámicos tradicionales: normalmente, están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato.
• Cerámicos avanzados o industriales: denominados también cerámicos finos, de ingeniería, o de alta tecnología porque proporcionan alta resistencia a temperaturas extremadamente altas, bajo peso, alta dureza y alta resistencia a la corrosión. Están constituidas por compuestos puros o casi puros, tales como el óxido de aluminio, carburo de silicio , o nitruro de silicio.

En el ámbito industrial, se dividen en: cerámicos a base de óxidos (Aluminia y Zirconia), carburos (Carburo de tungsteno, carburo de titanio, carburo de silicio), nitruros (Nitruro de boro cúbico, nitruro de titanio, nitruro de silicio), cermets, sialon, vidrios, vitrocerámicas o cerámicos vidriados.

7.- Materiales poliméricos.

Los polímeros son productivos mediante un proceso de polimerización que consiste en enlazar mediante enlaces covalentes miles de pequeñas moléculas orgánicas denominadas monómeros o meros. Sus características son: baja densidad, mala conductividad eléctrica y térmica, baja resistencia a las altas temperaturas, resistencia a la humedad, a los agentes químicos, y a la corrosión en general. reducida resistencia mecánica, fragilidad, en algunos casos, y ductilidad y plasticidad, en otros, elaboración rápida, sencilla y de bajo coste.

7.1.- Termoplásticos.

Ante un calentamiento, los termoplásticos se ablandan, pudiendo moldearse para obtener una gran variedad de formas, y al enfriarse vuelven a endurecerse manteniendo sus características iniciales. Este ciclo de ablandamiento y endurecimiento puede repetirse varias veces se quiera sin que el material se degrade, modifique su aspecto o propiedades. Los más comunes son: poliestireno, polipropileno, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetracrilato, policarbonatos, poliamidas.

7.2.- Termoestables.

Al calentarlos por primera vez, los termoestables se ablandan y se les puede dar forma bajo presión, pero debido al calor comienza una reacción química en la que las moléculas se enlazan permanentemente, de manera que el polímero se hace rígido permanentemente y si se calienta no se ablandará si no que se romperá. Solo pueden ser moldeados una vez por calor, ya que no vuelven a fundirse sin degradación. Los más comunes son: resinas fenólicas, aminas, resinas epóxicas, resinas de poliéster.

7.3.- Elastómeros.

En los elastómeros se da una conexión entre las cadenas que permite una reconstrucción de la forma original aun cuando ha ocurrido una deformación; tienen la capacidad de sufrir grandes deformaciones sin cambiar de forma permanentemente, es decir, recuperándose elásticamente después de retirar la fuerza aplicada. Los más comunes son: caucho natural, neopreno, caucho de silicona.

8.- Materiales compuestos.

Se denomina material compuesto a todo material combinado a partir de una unión (no química) de dos o más componentes que da lugar a una combinación de propiedades específicas que no es posible de obtener en los materiales originales. La matriz (o fase matriz), es el elemento más abundante y cuyas propiedades hay que potenciar, y elrefuerzo  (agente reforzante), es el elemento que está en menor proporción y el que potencia. Sus características son: Deben estar formados por dos (o más) materiales distintos y separables mecánicamente. Deben poder fabricarse por medio de la mezcla de aquellos, de manera que la dispersión de uno en otro se pueda efectuar de manera controlada. Deben dar lugar a una combinación de propiedades que sea superior a las de sus componentes por separado (efecto sinérgico). En función del tipo de matriz, hay: compuestos de matriz polimérica, metálica y cerámica. En función de la naturaleza, hay: compuestos reforzados con partículas, con fibras y compuestos estructurales.

8.1.- Tipos de materiales compuestos.

• Materiales compuestos reforzados con partículas. Estos materiales se clasifican a su vez en materiales reforzados con partículas grandes y los consolidados por dispersión. Las partículas pueden tener una gran variedad de geometría pero suelen tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones lo cual es la gran diferencia con las fibras.
• Materiales compuestos reforzados con fibras. Consiste en incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. Son los materiales compuestos más conocidos por ser los que mejores prestaciones mecánicas presentan, prestaciones que mejoran cuanto menor sea el diámetro de las fibras, aunque, a menor diámetro son, no sólo más caras, sino que pueden resultan nocivas para la salud si en el mecanizado se liberan en forma de partículas en suspensión.

Las fibras más comunes suelen ser:

• fibras de vidrio: se combinan con matrices de resinas de poliéster. Con muy buena relación resistencia/precio, son muy utilizadas en el reforzamiento de plásticos en general. Tienen una densidad y propiedades a la tracción comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y modulo de tensión, aunque pueden sufrir mayor elongación sin romperse.
• fibras de carbono: las matrices suelen ser resinas epoxi. Son muy útiles para aplicaciones en las que se requieren rigidez, resistencia y ligereza, aunque su elevado coste puede resultar un inconveniente. Son muy empleadas en la industria aeronáutica para disminuir el peso de los aviones.
• fibras de polímeros: suelen llevar matriz de resinas epoxi. Las fibras de aramida son de las más comunes, son fibras sintéticas termoestables. Son resistentes, muy tenaces y permiten la absorción de energía en impactos sin romperse. Se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, militares y aeronáutica, tejidos para chalecos antibalas, trajes de bomberos, equipos deportivo de alta resistencia y bajo peso (como las tablas de ski), cascos de barcos, etc. su nombre comercial más común es Kevlar.
• Materiales compuestos estructurales. Presentan una combinación de materiales compuestos y homogéneos y las propiedades dependen más de la geometría del diseño de los elementos estructurales que de la naturaleza de los materiales constituyentes. Se clasifican a su vez en laminados y de tipo sándwich.

9.- Materiales semiconductores.

Los semiconductores son materiales cuya conductividad eléctrica puede ser controlada, de manera que pueden comportarse como conductores o como aislantes. El material semiconductor más utilizado es el silicio.

10.- Tratamientos de los materiales.

10.1.- Tratamientos térmicos.

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento bajo condiciones determinadas de temperatura, tiempo, velocidad, etc., a las que se somete a los materiales en estado sólido con el objetivo de modificar sus propiedades. Estos tratamientos no varían la composición química. Los tratamientos térmicos tienen 3 fases: calentamiento hasta una temperatura, permanencia a la temperatura y enfriamiento hasta la temperatura ambiente. 

10.1.1.- Diagramas Fe-C.

Diagrama de equilibrio en el que se representa el comportamiento de la aleación de hierro y carbono en función del porcentaje de carbono contenido en la mezcla y de temperatura.

10.1.3.- Temple.

El temple consiste en el calentamiento del acero hasta una temperatura determinada, seguido de un periodo de permanencia a dicha temperatura para que ocurra la transformación de toda la estructura y un posterior enfriamiento rápido. Se consigue mejorar las propiedades mecánicas, y modificar ciertas propiedades físicas y químicas del acero. El temple consta de 3 fases: calentamiento, permanencia a esa temperatura y enfriamiento. 

Los defectos más comunes son: Oxidaciones y descarburaciones debidas al calentamiento en atmósferas inadecuadas. Exceso de fragilidad por calentamiento a temperaturas excesivas que provocan el crecimiento del grano. Falta de dureza por calentamiento a temperaturas demasiado bajas o por velocidades de enfriamiento inferiores a la crítica. Deformaciones debidas a un calentamiento o enfriamiento desigual de las piezas o apoyos inadecuados en el proceso. Grietas y roturas debidos a cambios bruscos de sección en la pieza, o por una diferencia excesiva entre el enfriamiento de  su núcleo y su periferia. Hay varios tipos de temple: temple continuo completo o de austenización completa, temple continuo incompleto o de austenización incompleta, temple escalonado "martempering", temple escalonado "austempering" y temple superficial.

10.1.4.- Revenido.

El revenido es un tratamiento complementario del temple, que se aplica exclusivamente a los materiales templados con el objetivo de reducir la fragilidad y las tensiones internas. Consiste en calentar el material a una temperatura inferior a la de temple con el fin de que la martensita se transforme en una estructura más estable, se mantiene a la temperatura el tiempo necesario, para después enfriar a una velocidad adecuada, que depende del tipo de material.

10.1.5.- Recocido.

El recocido consiste en calentar el material pieza hasta una temperatura dada, y una vez que toda la masa ha adquirido la temperatura deseada, se deja enfriar muy lentamente, en general en el interior del horno apagado. Su finalidad es ablandar (disminuir la dureza) el material para facilitar su mecanizado posterior. Hay varios tipos de recocido: recocidos supercríticos (recocido de homogeneización, recocido de austenización completa o de regeneración, recocido de austenización incompleta), recocidos subcríticos ( recocido de ablandamiento, de recristalización o contra acritud, subcrítico globular, de estabilización), recocidos isotérmicos.

10.1.6.- Normalizado.

El normalizado consiste en calentar rápidamente el acero hasta una temperatura ligeramente superior a la crítica, mantenerlo durante un periodo de tiempo a esa temperatura hasta que todo el material pase al estado austenítico, y a continuación dejarlo enfriar al aire. Con el normalizado se busca eliminar las tensiones internas afinando la estructura y preparándola para operaciones o tratamientos posteriores. Se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasiones también puede ser un tratamiento térmico final.

10.2.- Tratamientos termoquímicos.

Los tratamientos termoquímicos son la combinación controlada en atmósferas especiales de operaciones de calentamiento y enfriamiento con la aportación de ciertos elementos en la superficie de las piezas; además de modificar la estructura y constitución del material, modifican también la composición química de su superficie. Sus objetivos son:  Mejorar la dureza superficial de las piezas, manteniendo el núcleo más blando y tenaz. 

Aumentar la resistencia al desgaste debido al rozamiento aumentando la capacidad lubrificante. Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión sin alterar otras propiedades esenciales. Los más empleados son: cementación, nitruración, cianurización, carbonitruración, sulfinización.

10.3.- Recubrimientos anticorrosivos.

Un recubrimiento o revestimiento puede definirse como una capa de material relativamente delgada, que recubre a un espesor significativamente mayor y que se emplea con diferentes finalidades, como endurecimiento de superficies, recobramiento de dimensiones, mejora de la lubricación, mejora de la resistencia a la abrasión, y sobre todo como tratamientos anticorrosivos, para evitar la corrosión de los metales. Estos recubrimientos se clasifican en: recubrimientos orgánicos e inorgánicos. Las principales técnicas son: por inmersión caliente (galvanizado, estañado, aluminizado, recubrimientos de aluminio y de cinc), por inmersión en frío (galvanizado electrolítico, cromado electrolítico, niquelado electrolítico), por conversión química (anodizado, pavonado) y metalización.