Propiedades, Ensayos y Deterioro de Materiales Industriales

Medidas de Dureza

¿Por qué son importantes las medidas de dureza? La dureza está directamente relacionada con la tracción, y proporciona información sobre características mecánicas, composición, resistencia al desgaste, dificultad de mecanizado, influencia de los tratamientos térmicos, etc.

Métodos de Medición de Dureza

Los métodos se clasifican según la resistencia que presentan los materiales:

Por la resistencia a ser rayados por otros

Entre estos métodos encontramos:

• Dureza Mohs: Se utiliza en mineralogía para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro, dando lugar a la escala de Mohs.
• Dureza a la Lima: Se usa en la industria. Dependiendo de si la lima entra o no, sabremos:
  • No entra, el material raya a la lima: la dureza es mayor de 60 HRC.
  • Si entra, la lima raya al material: la dureza es menor de 60 HRC.
• Dureza Martens: El esclerómetro Martens fue el primer aparato utilizado para ensayar la dureza de los cuerpos. El método consiste en rayar la superficie del material cuya dureza se quiere medir con una pirámide de diamante, siendo la carga de aplicación constante. La dureza del material es inversa a la anchura de la raya.

Por la resistencia a ser penetrados por otro más duro

Estos métodos están normalizados:

• Para metales, aleaciones y otros materiales duros son Vickers, Rockwell y Brinell.
• Para plásticos y otros materiales blandos se utiliza el método Shore.

Tres ensayos de dureza comunes son: Brinell (HB), Vickers (HV) y Rockwell (HR).

Por la reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro

Esta dureza se denomina dureza elástica.

• Dureza Shore (HS): Se basa en la reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un material más duro. La medida se realiza con un esclerómetro o escleroscopio.

Ensayos Tecnológicos

Los ensayos tecnológicos hacen referencia a aquellos ensayos que permiten conocer con mucha rapidez determinadas cualidades del material (composición, los tratamientos térmicos o el tipo de conformación), pero de forma aproximada. Son ensayos menos rigurosos que los ensayos mecánicos. Se reproducen las condiciones industriales de los materiales, comprobando si son o no aptos para el proceso industrial para el que ha sido diseñado.

Son ensayos tecnológicos los ensayos de: plegado (o doblado), el de embutición, el de desgaste, el de chispa y el de forja.

Tipos de Ensayos Tecnológicos

• Ensayo de Plegado: Estudia la plasticidad del material y, como consecuencia, nos indica la forma en que se puede trabajar con ellos. El plegado se puede realizar hasta que las caras queden en contacto, paralelas, o en un ángulo determinado, y observar la aparición de grietas en la parte exterior de la curva.
• Ensayo de Embutición: La embutición es el proceso de conformado en frío de los metales por el que se transforma un disco o piezas recortadas en piezas huecas. Se trata de un proceso de conformado de chapa por deformación plástica, durante el cual la chapa sufre transformaciones por estirado y por recalcado, produciéndose variaciones en su espesor. El objetivo es conseguir una pieza hueca de acuerdo con la forma definida por la matriz de embutición que se utilice, mediante la presión ejercida por una prensa.
• Ensayos de Chispa: Son ensayos cualitativos que indican, de manera aproximada, la composición de un material. Se basan en la diferencia de forma, de color o del número de chispas que produce un metal al presionarlo contra una muela de esmeril (piedra de afilado). Se debe disponer de muestras de materiales de composición conocida, que se emplean como patrón para poder comparar las chispas que produce la muestra problema, pero también se pueden usar fotografías para la identificación.
• Ensayos de Desgaste y Abrasión: El ensayo de resistencia por abrasión nos permite conocer el nivel de desgaste de una pieza que estamos ensayando para predecir cómo se comportará cuando llegue al mundo real. Se utiliza para evaluar la resistencia a la abrasión de: los tratamientos térmicos, los tratamientos termoquímicos, la protección contra la oxidación y los acabados. Este ensayo se utiliza para determinar la resistencia de un material, metálico o no metálico, a la abrasión superficial. Se realiza utilizando ruedas o muelas abrasivas, con capacidad de desgaste que requieren de una regeneración cada cierto número de ciclos.

Ensayos No Destructivos (END)

Los END permiten inspeccionar los materiales sin destruir la pieza o componente que se ensaya en busca de defectos, antes de entrar en servicio, y también durante su uso, de forma que se pueda detectar y prever el fallo.

Aplicaciones de los END

• Defectología: Detección de defectos, heterogeneidades, discontinuidades, fisuras, microgrietas...; evaluación del deterioro ocasionado por agentes ambientales... Los ensayos que pertenecen al grupo de defectología se dividen en dos: técnicas que permiten detectar defectos superficiales y técnicas para la detección de defectos internos.
• Metrología: Control de las dimensiones de las piezas, medidas de espesores (de piezas, de recubrimientos)...
• Caracterización de materiales: Evaluación de las propiedades químicas, estructurales, mecánicas (dureza...), propiedades físicas (conductividad eléctrica)...

Tipos de Ensayos No Destructivos

Ensayo de Líquidos Penetrantes

El método se basa en la capacidad de ciertos líquidos para penetrar y ser retenidos en discontinuidades abiertas a la superficie. Este método hace uso de otra sustancia denominada revelador, que actúa sobre la sustancia penetrante que ha quedado retenida en las discontinuidades, extrayéndola a la superficie.

Las etapas del ensayo son:

1. Limpieza de la pieza: Retirando la suciedad de la superficie (agua, aceite, óxido) y del interior de los defectos.
2. Aplicación del líquido penetrante: Sobre la superficie a ensayar durante un tiempo de 15 a 20 minutos que le permita penetrar dentro de las oquedades de la pieza. Esto actualmente se hace con un spray, aunque antiguamente se hacía por inmersión en un baño (se utiliza si hay un gran número de piezas).
3. Limpieza intermedia: Retirando el exceso de penetrante en la superficie de la pieza. Es importante eliminar el líquido perfectamente de la superficie, pero no de los defectos, para que pueda aplicarse correctamente el revelador.
4. Revelado: Aplicando un revelador a la superficie de la pieza que extrae el penetrante de las oquedades donde se había introducido. El revelador es un polvo fino, normalmente blanco, que se puede aplicar en seco o en forma de suspensión con un líquido volátil.
5. Observación: Viendo las indicaciones de los defectos bajo luz natural en el caso de penetrantes coloreados o luz negra (luz UV con una componente residual muy pequeña de luz visible) en el caso de penetrantes fluorescentes.

Existen diferentes tipos de líquidos penetrantes:

• Líquidos penetrantes coloreados, observación con luz visible blanca.
• Líquidos penetrantes fluorescentes, observación con luz negra (ultravioleta).
• Líquidos penetrantes mixtos (fluorescentes-coloreados), observación bajo los dos tipos de luz anteriores.

Ventajas:

• Es independiente de la geometría de la pieza.
• Es aplicable a casi cualquier material.
• Costo relativamente bajo, portátil y de fácil interpretación.
• Se puede automatizar.
• Alta sensibilidad, actúa como una lupa.

Desventajas:

• Solo apto para defectos abiertos a la superficie.
• Requiere procedimiento de limpieza superficial muy cuidado.
• No es adecuado para superficies porosas.
• Requiere limpieza posterior al ensayo.
• No da información sobre el tamaño de la imperfección.
• El inspector debe tener acceso directo a la superficie.
• Disposición de los residuos de limpieza.

Ensayo de Partículas Magnetizables

Las partículas magnéticas son una técnica de inspección muy sensible para detectar defectos en la superficie y en la subsuperficie de materiales en componentes ferromagnéticos, como aceros, hierros, cobalto y níquel. El método consiste en detectar el campo magnético de fuga que producen las discontinuidades de un material ferromagnético al saturarlo magnéticamente.

Etapas de la inspección por partículas magnéticas:

1. Magnetización de la pieza: Existen varias formas de magnetizar la pieza:
   • Mediante el uso de circuitos magnéticos fijos o portátiles, magnetizando con imanes, con corriente continua o con corriente alterna.
   • Colocando la pieza en el interior de una bobina por la que circula una corriente eléctrica de alta intensidad.
   • Pasando una corriente eléctrica intensa directamente a través de la pieza.
2. Aplicación de partículas magnéticas: Una vez la pieza esté magnetizada, se aplican las partículas magnéticas. Estas se pueden encontrar en forma de polvo (aplicación en seco) o en forma de suspensión. En algunos casos, se puede añadir a la suspensión un producto fluorescente, lo que requerirá el uso de una lámpara de luz ultravioleta para observar los defectos.
3. Desmagnetización y limpieza: Se finaliza desmagnetizando la pieza y eliminando las partículas magnéticas.

¿Qué son las partículas magnéticas? Son partículas de óxido de hierro. Existen de tamaños pequeños (entre 1 y 60 mm) y también partículas más grandes (entre 60 y 150 mm) y pueden ser de formas diferentes.

Ventajas:

• Es independiente de la geometría de la pieza.
• Alta sensibilidad para fisuras finas, superficiales y poco profundas.
• Rápido y simple, se lo puede automatizar.

Inconvenientes:

• Solo apto para materiales ferromagnéticos.
• La orientación del campo y la intensidad es crítica para la detección.
• Solo apto para defectos superficiales y sub-superficiales.
• Se requieren corrientes elevadas.
• Para algunas aplicaciones posteriores se debe desmagnetizar.

Radiología Industrial

Con las técnicas de radiología industrial se pueden detectar defectos internos, y defectos superficiales, si las piezas se han montado correctamente. Se puede usar en una gran variedad de materiales. La única limitación que presenta esta técnica es el espesor de muestra. Los rayos X no pueden atravesar grandes espesores, sobre todo para componentes formados por átomos de elevado peso atómico, como los metales. En estos casos se requieren radiaciones con mayor poder de penetración como los rayos gamma.

Rayos X vs Rayos Gamma

Ventajas de los Rayos Gamma frente a los Rayos X:

• Los equipos de Rayos Gamma son de menores dimensiones, lo que permite el reconocimiento de zonas de difícil acceso para los Rayos X.
• Su poder de penetración permite aplicarlos a piezas de mayores espesores.
• Son muy aptos para reconocer defectos en tubos ya instalados, pues se puede disponer la fuente en el centro del tubo y la película en su exterior.

Inconvenientes de los Rayos Gamma:

• El mayor peligro al utilizar isótopos radioactivos.
• El mayor tiempo de exposición que los Rayos X.
• Menor contraste por poseer los Rayos Gamma menor longitud de onda que los Rayos X, lo que dificulta su interpretación.
• Menor nitidez de contornos en la imagen.
• Velado de la placa, que afecta y disminuye el contraste, debido a la formación de radiaciones difusas motivadas por la mayor exposición.

Radiología Industrial (General)

Ventajas:

• La radiografía obtenida constituye un registro permanente inviolable.
• Apta para casi todo tipo de materiales.
• La dirección del haz no es afectada por la geometría de la pieza.
• No requiere patrón de calibración.
• Apto para utilización fuera del laboratorio.
• Se puede automatizar.

Inconvenientes:

• Peligro de irradiación.
• No indica la profundidad del defecto.
• La orientación de las discontinuidades es importante para su detección.
• Profundidad de penetración limitada (importancia del tipo de material, densidad y espesor).
• Requiere acceso de ambos lados.

Ensayo por Ultrasonidos

Los ultrasonidos son unas ondas acústicas de determinadas frecuencias cuya velocidad de propagación varía en función del medio; este hecho se utiliza para obtener información sobre los defectos internos presentes en los materiales, así como para determinar espesores en piezas.

Los equipos de ultrasonido constan de:

• Sincronizador: Genera la señal de sincronización para la emisión de impulsos de alta frecuencia.
• Generador de alta frecuencia: Al recibir la señal de sincronización, genera un impulso eléctrico de alta energía que al llegar al cristal piezoeléctrico emisor produce las ondas ultrasónicas. El lapso de tiempo en que el cristal recibe el impulso eléctrico y el tiempo que empieza a emitir ondas se denomina 'tiempo muerto'.
• Amplificador: Los impulsos acústicos que llegan al cristal receptor generan impulsos eléctricos con tensiones que van de 0,001 a 1 voltio. Esta señal, amplificada hasta 100 voltios, es la que se observa en la pantalla de un tubo de rayos catódicos (TRC) y representa la energía del sonido reflejado frente al tiempo, directamente relacionado con la distancia recorrida por la onda.
• Palpador: Constituye una parte fundamental del equipo. Consta de un cristal piezoeléctrico emisor y otro receptor, que muchas veces es el mismo cristal.
• Acoplante: Sustancia que se pone entre el palpador y el objeto a examinar que se utiliza para conseguir un buen acoplamiento acústico entre palpador y la pieza, pudiendo utilizarse aceites, siliconas, soluciones jabonosas, etc.
• Bloques de calibración: Se utilizan para equilibrar el equipo y la sensibilidad del aparato.

Ventajas:

• Acceso de un solo lado.
• Excelente para detección de defectos planares.
• Apto para una gran variedad de materiales.
• Disponibilidad de equipos estacionarios y móviles.
• Registro de la inspección.
• Gran profundidad de penetración.
• No requiere medidas especiales de protección.

Inconvenientes:

• Requiere contacto con la pieza.
• Requiere patrón de referencia.
• Las superficies rugosas pueden causar inconvenientes.
• Requieren un alto entrenamiento de los operadores.
• La interpretación de las señales puede ser dificultosa.

El método más sensible para detectar defectos superficiales es el de las partículas magnéticas; si por el contrario tenemos defectos internos, la mejor técnica es la de ultrasonidos. Esta técnica detecta fisuras con tamaños superiores a unos 3 mm.

Metalografía

La metalografía es la ciencia constituida sobre la preparación y estudio microscópico de la estructura de los metales y sus aleaciones.

Etapas de la Metalografía

1. Selección de la muestra
2. Corte
3. Montaje o empastillado (si fuera necesario): Se realiza para poder manipular las probetas con mayor facilidad.
4. Desbaste: El área de desbaste cuenta con cuatro lijas de diferente tamaño de grano, tales como: 240, 320, 400 y 600. Cuanto más grande es el número nominal de la lija, más pequeño es el tamaño de grano, lo cual hace más fino el lijado.
5. Pulido: Objetivo: eliminar las rayas producidas en la operación de desbaste y obtener una superficie especular (Alúmina).
6. Ataque químico: Después del ataque con nital, aparecen visibles las distintas fases de la estructura del acero.
7. Análisis microestructural

Deterioro de Materiales: Corrosión y Degradación

La corrosión es algo habitual. Si observáis a vuestro alrededor, encontraréis muchos materiales que han sufrido corrosión.

Se define corrosión como: “La reacción de un material con el medio que lo rodea, ocasionando el deterioro de sus propiedades”.

Por lo tanto, se define degradación como: “El deterioro de materiales poliméricos o cerámicos”.

Corrosión

CRITERIO I: Según la Morfología del Ataque

• Corrosión uniforme: Se observa en la pieza un ataque uniforme a lo largo de toda la superficie metálica.
• Corrosión selectiva: La corrosión se localiza en unas zonas determinadas.
• Corrosión por picaduras: La corrosión se localiza en unas pequeñas zonas aisladas de superficie de 1 o 2 mm².
• Corrosión en resquicio: La corrosión que se presenta en uniones, zonas de solapes, en general, zonas mal aireadas.
• Corrosión intergranular: La corrosión se localiza en los límites de grano.
• Corrosión bajo tensión: El material está sometido a tensión de tracción en un medio corrosivo. Aparecen grietas y fisuras, y se origina el fallo del material a esfuerzos inferiores a los necesarios en ausencia de medio corrosivo.

CRITERIO II: Según el Mecanismo

• Corrosión química: Se da a temperaturas elevadas. En estas condiciones no existe humedad y el material se comporta como un reactivo con el medio ambiente. Sin intervención de corriente eléctrica.
• Corrosión electroquímica: Esta corrosión es exclusiva de los metales. En el metal se forma una pila, con zonas anódicas que se disuelven (se corroen), y zonas catódicas. Aparición de una corriente eléctrica dentro del medio corrosivo.

CRITERIO III: Según el Medio que lo Produce

• Corrosión debida a ácidos: Piezas en contacto con medios ácidos.
• Corrosión por sales fundidas: Piezas en contacto con sales fundidas.
• Corrosión atmosférica: Piezas en contacto con la atmósfera; esta puede variar en función de la zona. Las condiciones atmosféricas en Galicia son diferentes a las de Andalucía.
• Corrosión de estructuras enterradas: Piezas que se encuentran enterradas en la tierra, como por ejemplo, las tuberías de agua o de gas.

Corrosión Seca

También se dan fenómenos de corrosión seca cuando:

• Se mecaniza una pieza y se calienta de forma excesiva.
• Cuando se está cortando sin precauciones una muestra metálica. Se ha de evitar que se caliente, ya que se puede producir su oxidación. Para evitar la corrosión al cortar o mecanizar la pieza, se suelen utilizar agua o taladrinas (mezcla de agua y aceite) que absorbe el calor generado al cortar la pieza.
• En procesos de soldadura también se puede producir la corrosión seca.

Conceptos Clave sobre Corrosión Electroquímica

Hay una serie de conceptos que hay que tener claros sobre la corrosión electroquímica:

• Necesitamos un electrolito, humedad, ácido...
• Las temperaturas moderadas (100-150 ºC) aceleran la corrosión.
• En la zona anódica es en la que se produce el proceso de corrosión. La zona catódica no se disuelve.
• Los electrones circulan desde la zona anódica a la zona catódica.
• El electrolito mantiene la carga igualada (es el equivalente al puente salino en la pila). Si no hay electrolito, se para la corrosión.

Tratamientos Superficiales para Protección contra la Corrosión

• Pavonado: El pavonado consiste en la generación de una capa superficial de magnetita (Fe₃O₄, óxido mixto constituido por óxido ferroso-diférrico: Fe²⁺Fe³⁺₂O₄) alrededor de las piezas para mejorar su aspecto y evitar su corrosión.
• Cromado: Es un tratamiento superficial basado en la electrodeposición mediante el cual se deposita una fina capa de cromo sobre objetos metálicos, e incluso plásticos. Con función anticorrosiva y embellecedora o decorativa.
• Niquelado: Es un tratamiento superficial basado en la electrodeposición para recubrirla de Níquel y así protegerla de la oxidación y la corrosión, además de mejorar su aspecto.
• Estañado: Es un tratamiento superficial basado en la electrodeposición para recubrirla de Estaño y que sirve para aumentar su resistencia a la oxidación, la corrosión o el desgaste.

Otros Tipos de Corrosión

• Corrosión biológica y bacteriana: La presencia de microorganismos como algunas bacterias, hongos o algas pueden generar ácidos corrosivos, sulfuro, hidrógeno.
• Corrosión por erosión: Se produce sobre la superficie de los metales susceptible de ser corroída.
• Corrosión por fricción: Dos piezas metálicas que están en contacto y en movimiento la una respecto de la otra están sometidos a esfuerzos de fricción, rozamiento o desgaste.

Degradación de Materiales Poliméricos

La diferencia principal entre la corrosión de los metales y la degradación de los polímeros es debido al mecanismo por el cual se produce la pérdida de las propiedades:

• En los metales el mecanismo de corrosión es mayoritariamente electroquímico.
• En los polímeros los mecanismos de degradación son físicos y químicos.

De forma resumida, la degradación polimérica consiste en la ruptura de enlaces covalentes, que provocan el deterioro de las propiedades del material.

Las formas más habituales de degradación de los polímeros son:

• La degradación oxidativa (o autooxidación).
• La biodegradación.
• La degradación térmica.
• La fotodegradación (o fotooxidación).
• La degradación mecánica.

Tipos de Degradación Polimérica

• Biodegradación: Es la degradación ocasionada por seres vivos (agentes biológicos), debido a los enzimas generados por diversos tipos de microorganismos que se alimentan de polímeros. Para evitar esta acción, se añaden a los polímeros biocidas que eliminan los microorganismos, o inhiben su crecimiento.
• Degradación térmica: Se produce cuando el material polimérico se encuentra en un ambiente inerte (no oxidante) y a elevada temperatura (degradación térmica). Este tipo de degradación no es muy común y se observa en la industria espacial (corazas de cohetes espaciales) o en el procesado de materiales.
• Degradación mecánica: Los metales pueden sufrir corrosión bajo tensiones; lo mismo le ocurre a los polímeros sometidos a tensiones mecánicas. En los polímeros, etapas del procesado (laminación, estirado, corte, limado, serruchado, taladrado, torneado, etc.) someten al material a tensiones. Lo mismo le sucede cuando los artículos ya fabricados se someten a fuerzas de tracción. En todos estos casos, las cadenas del polímero se pueden romper.

Ensayos de Corrosión

• Ensayo de Corrosión por Niebla Salina: Una de las herramientas más utilizadas para realizar ensayos de corrosión son las cámaras de niebla salina. Son máquinas estandarizadas en las que se pueden colocar probetas a ensayar de materiales con o sin recubrimientos.
• Ensayo de Corrosión Industrial: Los ensayos de corrosión industrial se realizan en cámaras de ensayos de corrosión por niebla ácida. Utiliza los mismos parámetros y normas que las utilizadas para la corrosión urbana, pero se realizan en presencia de otro tipo de vapores ácidos derivados del nitrógeno y cloro, tales como óxido nitroso o cloruro de hidrógeno, que configuran lo que se denomina niebla ácida.