2 ENSAYOS MECANICOS Y SU APLICACION A LA CARACTERIZACION DE UNIONES SOLDADAS.pdf

ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

Tema 2.2 ENS A YOS M MEC Á NICOS Y Y S SU A PL IC A CIÓN A L L A C C A R A CTERIZ A CIÓN DE U UNIONES S SOL D A D A S

Ac A c t u ali al i zado zad o p o r : Javier Oñoro Ló pez

Marzo 2006 Rev. 1

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS MECÁNICOS 2.- ENSAYOS MECÁNICOS 2.1. Ensayo de tracción. 2.2. Ensayo de doblado. 2.3. Ensayos de impacto 2.3. Ensayos de dureza. 3.- ENSAYOS MECÁNICOS ESPECÍFICOS 3.1. Ensayos de tenacidad a la fractura. 3.2. Ensayo de fatiga. 3.3. Ensayo de fluencia en caliente. 3.4. Otros ensayos. 4.- ENSAYOS MECÁNICOS DE UNIONES SOLDADAS 4.1. Ensayos de tracción 4.2. Ensayos de dureza 4.3. Ensayos de doblado 4.4. Ensayo de fractura 4.5. Ensayos de rotura bajo carga constante 4.6. Otros ensayos 5.- ENSAYOS DE SOLDABILIDAD 5.1. Ensayos teóricos 5.2. Ensayos simulados 5.3. Ensayos sobre soldaduras BIBLIOGRAFÍA

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Tema 2.2 -1Rev.1 – Marzo Marzo 06


ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS MECÁNICOS 2.- ENSAYOS MECÁNICOS 2.1. Ensayo de tracción. 2.2. Ensayo de doblado. 2.3. Ensayos de impacto 2.3. Ensayos de dureza. 3.- ENSAYOS MECÁNICOS ESPECÍFICOS 3.1. Ensayos de tenacidad a la fractura. 3.2. Ensayo de fatiga. 3.3. Ensayo de fluencia en caliente. 3.4. Otros ensayos. 4.- ENSAYOS MECÁNICOS DE UNIONES SOLDADAS 4.1. Ensayos de tracción 4.2. Ensayos de dureza 4.3. Ensayos de doblado 4.4. Ensayo de fractura 4.5. Ensayos de rotura bajo carga constante 4.6. Otros ensayos 5.- ENSAYOS DE SOLDABILIDAD 5.1. Ensayos teóricos 5.2. Ensayos simulados 5.3. Ensayos sobre soldaduras BIBLIOGRAFÍA




1.- INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS MECÁNICOS El comportamiento de los materiales metálicos en los diferentes estados de fabricación, construcción o servicio, puede variar ampliamente en función de su composición química, tratamiento térmico, trabajo mecánico, condiciones superficiales, presencia de discontinuidades y otras características del material. El análisis de las propiedades de los materiales puede realizarse mediante ensayos que permiten comprobar que se dispone de las características adecuadas para su utilización en piezas y componentes para los que se ha diseñado y construido. Los ensayos también permiten poder hacer comparaciones precisas con los datos obtenidos de ensayos similares con otros materiales, permitiendo seleccionar el más idóneo para cada aplicación. Las propiedades mecánicas de dureza, resistencia, alargamiento, tenacidad, etc., son de primordial importancia en el momento del diseño para la determinación de tamaños y dimensiones de los elementos que deban soportar cargas. También pueden verificar la aptitud del material para cumplir unas necesidades de procesamiento específicas. En este caso pueden efectuarse en condiciones similares a aquellas en las que el proceso vaya a ser llevado a cabo. El objetivo final de cualquier ensayo es poder tomar decisiones, tanto en el comportamiento, como en la posible elección de un material. Independientemente del ensayo que sea necesario llevar a cabo, es de la mayor importancia el que se realice bajo condiciones preestablecidas y que estas sean registradas junto con los resultados obtenidos, con el fin de garantizar la fiabilidad de los datos obtenidos, así como la reproducibilidad reproducibilidad de esos datos cuando sean realizados por organismos organismos diferentes. Una de las características más importantes de los metales que se utilizan para construir componentes estructurales o elementos de máquinas, es su respuesta a las acciones mecánicas. El conocimiento, en términos cuantitativos, del comportamiento de un metal en las condiciones de solicitación que está llamado a resistir durante el servicio, o en el curso de la fabricación, resulta así de importancia fundamental para el técnico. Las características o propiedades mecánicas son el resultado del comportamiento del material cuando se le somete a solicitaciones sencillas, fácilmente reproducibles. Esas pruebas reciben el nombre de ensayos mecánicos y sus resultados permiten, en su conjunto, predecir, con una elevada probabilidad de acierto, la respuesta del material frente a los sistemas de carga, mucho más complejos, a que estará sometido en servicio. En algunos casos las solicitaciones de servicio son fácilmente reproducibles y el ensayo es muy concluyente. Tal como sucede, por ejemplo, si tratamos de conocer la adecuación de un acero para construir con él un elemento estructural, que, en las condiciones reales, va a estar sometido a compresión a una temperatura de 200ºC. Bastará para ello someter en el laboratorio una muestra de ese material a un ensayo de compresión realizado a aquella temperatura y observar su comportamiento. En ocasiones, la conducta del material en servicio depende de una característica, cuya medida en el laboratorio se consigue, por medio de una prueba que no reproduce en la muestra las condiciones de trabajo reales, pero que puede correlacionarse directamente con ella. Cuando las condiciones en servicio son muy complicadas, resulta difícil discernir de una manera razonada qué propiedad o propiedades son responsables de la conducta del material, se requerirán especiales conocimientos de los materiales para poder alcanzar conclusiones aplicables a estos casos. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-


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Las aplicaciones de los metales y las operaciones de conformación a que pueden verse sometidos, son muy variadas. Se han desarrollado, por tanto, numerosos ensayos mecánicos encaminados a medir propiedades diferentes con vistas a disponer, en cada caso, del ensayo o ensayos que mejor caractericen a un material para un uso concreto. Entre estos se encuentran la colabilidad, deformabilidad, soldabilidad, mecanizabilidad, etc. Los ensayos para determinar estas propiedades pueden ser desarrollados, siempre que así sea preciso, para conocer la aptitud del material para cumplir unas necesidades de procesado, debiendo ser efectuados en las condiciones más similares posibles a las que el proceso vaya a ser realizado. Los ensayos normalmente se efectúan sobre probetas denominadas longitudinales en las que su mayor dimensión coincide con la dirección de laminación, extrusión o de deformación principal del material a ensayar. No obstante, en ciertas ocasiones, se requiere que sean efectuados sobre probetas obtenidas en una dirección perpendicular a la anterior, denominándose en este caso transversales (ver Figura 1).

FIGURA 1 DISPOSICIÓN DE LAS PROBETAS RESPECTO AL SENTIDO DE LAMINACIÓN O DE DEFORMACIÓN PRINCIPAL , INDICADO POR -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

Tema 2.2 -3Rev.1 – Marzo 06


En general hay pocas diferencias en la mayoría de los materiales entre las propiedades de tracción obtenidas con probetas longitudinales o transversales, aunque las transversales suelen dar valores de ductilidad ligeramente más bajos que las longitudinales. Los resultados de probetas tomadas en el sentido del espesor, perpendicular al plano de laminación, son todavía más heterogéneos que los anteriores y dependen, de forma considerable, de la historia de fabricación del material. En la mayoría de los materiales utilizados, los valores, que con estos ensayos se obtienen, son ligeramente inferiores. Este tipo de ensayo se efectúa en aquellos materiales que, por el diseño específico de un conjunto o estructura, van a soportar esfuerzos en sentido del espesor, es decir: normales a su superficie. Las probetas empleadas suelen preparase soldando, al material a ensayar, suplementos que faciliten su mecanizado y posicionado en las máquinas de tracción normalmente empleadas, ver Figura 2.

FIGURA 2 EJEMPLOS DE PROBETAS PARA ENSAYOS EN SENTIDO DEL ESPESOR SEGÚN EL NORSKE VERITAS

2.- ENSAYOS MECÁNICOS La determinación de ciertas propiedades de los materiales, llamadas características o propiedades mecánicas corresponden al comportamiento de los materiales cuando se les somete a solicitaciones sencillas, fácilmente reproducibles. Esas pruebas reciben el nombre de ensayos mecánicos. La correlación entre los resultados de los ensayos mecánicos y el comportamiento del material en las condiciones de aplicación reales, reviste, según los casos, mayor o menor dificultad y obedece a consideraciones de distinta naturaleza. Se acostumbra a clasificar las propiedades mecánicas de los metales en dos grandes grupos: las relacionadas con la resistencia, que miden la aptitud del material para resistir cargas estáticas, y las relacionadas con la ductilidad, que, de una parte, gobiernan en gran medida su capacidad para soportar sin romperse cargas dinámicas y, de otra, su aptitud para aceptar, sin agrietarse o romperse, la deformación plástica que se requiere en ciertos procesos de conformación. De manera general puede afirmarse que aquellos tratamientos que mejoran la resistencia de un metal reducen su ductilidad, por lo que las propiedades incluidas en los dos grupos citados varían en sentidos contrarios. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Los ensayos mecánicos son ensayos destructivos. Esto conlleva el peligro de suponer que los materiales no ensayados son iguales a los que fueron objeto de ensayo. Si una barra se ensaya a tracción o una unión soldada se secciona para examinar su calidad, verificando la existencia de discontinuidades, su penetración etc., lo único que podemos es suponer que, el resto de la barra o de la parte de la soldadura no ensayada, tienen similares propiedades a las sometidas a examen, porque fue realizada bajo las mismas condiciones. Sin embargo, el examen destructivo permite un estudio intensivo del material examinado, pudiendo recabarse mucha mayor información que la obtenida mediante cualquier técnica no destructiva. Por otro lado los ensayos destructivos permiten analizar los materiales bajo las mismas condiciones que deberán soportar en la práctica, pudiendo el ensayo estar relacionado con un producto, proceso o con ambos. Los ensayos destructivos pueden requerir bastante tiempo y un coste elevado, debido a la necesidad de la preparación y ensayo de muestras en una cantidad suficiente para que los resultados sean representativos de las propiedades del material desde un punto de vista estadístico. Los ensayos mecánicos son necesarios en aquellos casos en que no existen otros métodos más sencillos, o cuando no se tenga una seguridad de las propiedades conseguidas en los materiales, debido a la naturaleza de los mismos o al proceso de fabricación a que han sido sometidos, como ocurre habitualmente en la realización de uniones soldadas. Las aplicaciones de los metales y las operaciones de conformación a que pueden verse sometidos, son extremadamente variadas. Se han desarrollado, por tanto, numerosos ensayos mecánicos encaminados a medir propiedades diferentes con vistas a disponer, en cada caso, del ensayo o ensayos que mejor caractericen a un material para un uso concreto. Constantemente se desarrollan ensayos nuevos o modificaciones de los ya existentes que, en muchas ocasiones, revisten positivo interés. En este tema se van a examinar tan sólo los ensayos mecánicos más importantes y cuya aplicación está generalizada para la caracterización de los materiales y las uniones soldadas de los mismos.

2.1. Ensayo de tracción El ensayo de tracción consiste en someter a una muestra del material estudiado, de forma y dimensiones normalizadas, a una fuerza de tracción axial que crece lenta y gradualmente hasta la rotura de la misma. Durante el ensayo pueden despreciarse los efectos de la inercia y, en cada momento, existe equilibrio entre la fuerza aplicada a la probeta y la reacción de ésta. En estas condiciones la probeta se encuentra sometida a carga estática. La velocidad del ensayo de tracción es fundamental en los resultados del ensayo. Así se recoge en ASTM E-8 como en UNE-EN-10002 ó en las normas de material correspondiente en multitud de casos. Una velocidad excesiva: a) daría un límite elástico superior al verdadero, b) el alargamiento medido y la estricción medida pueden ser inferiores al real. Durante la prueba se miden ciertas propiedades del material que proporcionan una información sobre su aptitud para resistir cargas estáticas (resistencia) y sobre su deformabilidad (ductilidad). Las propiedades del primer grupo, medidas en el ensayo, son directamente aplicables en el proyecto para el cálculo de elementos resistentes. Las propiedades dúctiles no pueden ser introducidas en el cálculo y proporcionan información utilizable, si se poseen adecuados términos de referencia, para estimar el comportamiento previsible del material en servicio y para conocer la facilidad con que se prestará a determinadas operaciones de conformación.




Las probetas de ensayo pueden ser de sección circular (probetas cilíndricas) o rectangular (probetas primásticas) y sus dimensiones principales deben acomodarse a lo que establecen las normas o especificaciones del ensayo utilizadas. En todo caso, las probetas (Figura 3) tienen un cuerpo central de sección constante, llamado también parte calibrada que se une, a través de acuerdos, con las cabezas reforzadas sobre las que se realiza el agarre con las mordazas de la máquina de tracción. En la parte calibrada de la barreta se practican dos marcas separadas por una distancia L 0 llamada longitud inicial o entre puntos.

FIGURA 3

PROBETA ENSAYO DE TRACCIÓN

La fuerza de tracción producida por la máquina se genera con dispositivos mecánicos o hidráulicos y se aplica en el eje de la probeta, mediante mecanismos de autoalineación que aseguran la ausencia de momentos flectores durante el ensayo, de forma que la probeta, en la zona entre referencias, está sometida a un estado de tracción uniaxial, es decir, a una solicitación bien definida y fácilmente reproducible. El cuerpo central de la probeta y sus cabezas están adecuadamente dimensionados para asegurar que la rotura siempre tiene lugar entre referencias. De no ser así, el ensayo sería nulo y habría de repetirse sobre otra probeta del mismo material. Cuando se carga la probeta, la longitud entre puntos aumenta con la fuerza de tracción, de forma que un valor F de ésta corresponde una distancia entre referencias L. La máquina de ensayos mide continuamente el valor F de la carga y la variación L-L 0 de la distancia entre puntos o el desplazamiento del actuador, relacionando ambas magnitudes mediante un gráfico. La extensión de la probeta va acompañada de una contracción lateral, es decir, de una reducción de la sección recta, que si, inicialmente, tenía un valor S 0, valdrá S cuando la fuerza sobre la probeta sea F. En realidad, la relación entre F y L-L 0 que proporciona el gráfico dibujado por la máquina, no informa sobre el comportamiento del material, pues el desplazamiento L-L 0 tiene distinto significado según se haya producido en una probeta más corta o más larga y la fuerza F tampoco dice nada sobre la intensidad de la solicitación que soporta el material, que dependerá del área de la sección recta de la probeta.




Para la obtención de valores que sean independientes de la geometría de la muestra ensayada, lo que se hace es normalizarlos, utilizando en vez de la fuerza aplicada la tensión: 2

σ = F/S0 [N/m ]

(2.1)

y en vez del desplazamiento el alargamiento unitario:

ε

= ∆ L

L0

=

L − L0 L0

(2.2)

ambas magnitudes son independientes de las dimensiones de la probeta hasta la carga de rotura. Obsérvese que ε, como es el cociente de dos longitudes se expresa por un número adimensional. De esta forma, el diagrama que traza la máquina, con las adecuadas correcciones de escala, proporciona una relación entre la tensión y el alargamiento unitario, o sea, entre la solicitación de la probeta medida por σ y su deformación ε, magnitudes éstas independientes ya de la geometría de la probeta, por lo que dicha relación es ya una característica del material. La gráfica proporcionada por la máquina se llama curva convencional de tracción (engineering stress-strain curve). 2.1.1. Propiedades obtenid as en el ensayo de tracció n

a) Límite Elástic o. Cedencia. La mayor parte de los metales muestran una curva convencional de tracción como la de la Figura 4. Durante la parte lineal de la curva las deformaciones de la barra son elásticas, es decir, desaparecen cuando se retira la carga, con lo que la distancia entre puntos recupera su valor inicial L 0. Cuando los valores de σ son suficientemente elevados y se alcanza la parte curvada, la deformación de la barra es en parte elástica y en parte plástica, de manera que, al retirar la cargas, la probeta se recupera de la parte elástica de la deformación pero conserva una deformación permanente de carácter plástico. Se deduce así, que existirá un cierto valor de la tensión, σE, al que corresponderá la máxima deformación exclusivamente elástica y, superado el cual, quedará ya, en la probeta descargada, una deformación plástica. Ese valor σE se llama límite elástico verdadero.

FIGURA 4 CURVA APARENTE TENSIÓN -DEFORMACIÓN




El intervalo de tensiones y deformaciones en que el comportamiento del material es exclusivamente elástico se llama zona elástica o período elástico. En los metales la máxima deformación exclusivamente elástica no excede del 0,5% de L 0 (e ≤ 0,005). Cuando el material soporta tensiones superiores a σE se dice que se encuentra en la zona o período plástico. En casi todo el período elástico se cumple la ley de Hooke y la deformación es proporcional a la tensión, de forma que ε = σ/E

en que E es el módulo elástico o módulo de Young. El tramo inicial de la curva de tracción es, pues, recto y se verifica en él que E = σ/ε = tg α El módulo elástico depende de las fuerzas de enlace entre los átomos del metal, por lo que el módulo elástico es una de las características mecánicas menos dependientes de la estructura. Varía ligeramente con la proporción de elementos de aleación, tratamiento térmico o deformación en frío. Se ve, sin embargo, afectado por la temperatura, disminuyendo cuando crece ésta. El límite elástico verdadero, σE, podría determinarse experimentalmente con gran precisión, pues la conducta plástica del material se inicia ya con una primera deformación finita, cuando se produce el primer deslizamiento de dislocaciones que afecta a varios cientos de ellas. La medida de σE exigiría el uso de instrumentos que permitiesen apreciar micro-deformaciones del orden de 2 x 10 -6 mm. por lo que la operación es irrealizable en la práctica. Podría pensarse en definir un límite elástico técnico, como tensión a partir de la cual la probeta muestra ya una deformación remanente detectable con los extensómetros más precisos de uso técnico. Pero aún así, habríamos de medir deformaciones del orden de 10 -4 mm. lo que introduciría en el ensayo de tracción una complicación innecesaria. Se opta pues, por utilizar como parámetro característico del material el límite elástico convencional o punto de fluencia convencional en metales que no presentan un límite elástico aparente. Ambas tensiones se utilizan como medida de la resistencia que opone el material a las cargas antes de deformarse plásticamente y se designan indistintamente con el símbolo σE, sin que ello ocasione confusión alguna, puesto que el límite elástico verdadero es una propiedad de la que, por las razones antes apuntadas, no se hace ningún uso.




FIGURA 5 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE ELÁSTICO 0,2%

El límite elástico convencional es la tensión que produce en el material una deformación permanente ε=0,002 (0,2%). Se determina fácilmente en la curva de tracción llevando sobre la escala de deformaciones, expresada generalmente en tantos por ciento, un segmento OB = 0,2 (Figura 5), y trazando por B una paralela al tramo recto, que corta a la curva en un punto C, cuya ordenada OD es el límite elástico convencional. La justificación de esta construcción se encuentra en el hecho de que, si una vez alcanzada en el ensayo la tensión OD, se descarga el material muy lentamente, la línea que relaciona durante la descarga las tensiones y las deformaciones coincide con la recta CB y, cuando la carga es nula, queda una deformación remanente de valor dado por el segmente OB. Se ve pues, que de la deformación máxima alcanzada por la probeta, igual a OE, la parte BE es elástica, pues desaparece con la carga y la parte OB es plástica. Si recargáramos nuevamente la probeta (que presenta ya una deformación plástica OB) observaríamos que la nueva curva de tracción tiene un trozo recto hasta aproximadamente el punto C, en tanto que la primera sólo era recta hasta aproximadamente el punto A. Ello significa que la deformación plástica del material ha aumentado su resistencia al elevar el límite elástico aproximadamente de A a C. Este fenómeno se conoce como aumento de resistencia por deformación o endurecimiento por deformación. La determinación del punto C es bastante clara pues la recta BC y la curva de tracción se cortan bajo un ángulo grande. Sin embargo, para poder situar correctamente el punto B sobre el eje de abscisas, se necesita que la escala de deformación sea grande, lo que exige el uso un extensómetro. Algunos materiales, entre los que se encuentran los aceros al carbono con bajo contenido en carbono, presentan una conducta singular al iniciarse en ellos, durante el ensayo de tracción, la deformación plástica. El fenómeno en cuestión se llama a veces fluencia y también cedencia. Consiste en que al alcanzarse durante la prueba una tensión un poco por encima del final del trozo recto de la curva, el material se -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



deforma muy rápidamente, lo que origina una detención de la tensión registrada por la célula de carga de la máquina, y otras veces la deformación rápida va, incluso, acompañada de una caída brusca de la tensión, que oscila, por unos momentos, en torno a un cierto valor medio. En uno y otro caso el material experimenta una deformación considerable sin que aumente la tensión sobre él, como si perdiese transitoriamente su capacidad para resistir la carga y cediese ante ella, lo que justifica el nombre de cedencia. Al proseguir el ensayo, el material recupera su resistencia y se precisa ya un nuevo aumento de la tensión para que continúe la deformación, a causa del endurecimiento por deformación. La curva de tracción vuelve a tener un curso creciente. Según se manifieste la cedencia de una u otra forma de las dos descritas, la curva del ensayo será como muestra la Figura 6 en (a) o (b). En 5(a) la tensión σE correspondiente al tramo horizontal de la curva es el límite elástico aparente o tensión de cedencia. En 5(b) la tensión σEH correspondiente al primer máximo de la curva, que puede no ser el mayor de los máximos, se llama límite elástico aparente superior. El punto M es el punto de cedencia superior. La tensión σEL correspondiente al último mínimo, que puede no ser el menor, es el límite elástico aparente inferior o y el punto N es el punto de cedencia inferior. En este caso, el parámetro que se toma como medida de la resistencia del material es el límite elástico aparente superior.

FIGURA 6 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE ELÁSTICO APARENTE SUPERIOR E INFERIOR

La deformación plástica en las zonas que ceden se manifiesta por depresiones localizadas en la superficie de la barreta en forma de líneas, inclinadas 45º respecto al eje, que aparecen, generalmente, en las zonas próximas a las cabezas (Figura 7) y que, cuando la cedencia se generaliza, cubren toda la superficie de la barreta y desaparecen después, cuando el ensayo recupera su curso normal y la deformación del material vuelve a ser uniforme en toda la longitud de la muestra. Esas líneas se llaman líneas de Lüders o de Hartman.




FIGURA 7 FORMACIÓN DE LAS LÍNEAS DE LÜDERS DURANTE EL ENSAYO DE TRACCIÓN

b) La Tensión de Rotur a En los materiales muy frágiles la rotura se verifica sin deformación plástica observable macroscópicamente, es decir, estos materiales rompen sin salirse de la zona elástica. Su curva de tracción será, pues, como la de la Figura 8 (a). La tensión σE es a la vez la que produce la máxima deformación elástica, es decir es el límite elástico, y la que origina la rotura, o tensión de rotura, representada por σR. Es pues, en este caso σR = σE

En materiales con ductilidad muy baja la curva de tracción convencional es como la de la Figura 8 (b). Cuando la tensión sobre el material supera su límite elástico, se inicia la deformación plástica y con ello el endurecimiento por deformación del material, por lo que para que la deformación aumente, debe hacerlo la tensión. La curva tiene así, curso ascendente hasta que al alcanzar la tensión un valor σ = σR se produce la rotura. El valor σR es ahora la tensión de rotura. Si el material es dúctil, su curva de tracción tomará una de las formas que muestra la Figura 8 en (c) (d) o (e). Al sobrepasar la tensión el límite elástico, o los valores correspondientes al fenómeno de cedencia, la curva asciende como en el caso anterior y alcanza un valor máximo para descender después hasta que se produce la rotura. La máxima fuerza de tracción sobre la barreta, dividida por el área de su sección recta inicial σ0, se llama tensión de rotura σR y vale σR = Fmax/S0

Sin embargo, la tensión en el momento de la rotura tendría un valor menor σ‘R = F’/S0

siendo F’ la fuerza sobre la barreta cuando ésta se rompe. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



FIGURA 8 CURVAS TENSIÓN-DEFORMACIÓN CON DIFERENTE GRADO DE DEFORMACIÓN EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN

En el ensayo de tracción de materiales dúctiles, parece que un material que ha resistido una tensión σR se rompe más tarde bajo una tensión menor σ‘R. En realidad, las cosas no son así y todo procede del hecho de que la máquina no mide tensiones (N/m 2) sino fuerzas (N), que se convierten en tensiones dividiéndolas por el valor constante de la sección recta inicial S 0 de forma que σ = F/S0

Sin embargo, la tensión verdadera en un momento dado, bajo la fuerza F, cuando la sección recta real de la probeta es S, vale: σ v

=

F S

=

S = σ 0 S0 S S F

⋅

S




En los materiales dúctiles sucede que, en determinado momento del ensayo, la deformación de la probeta, que hasta entonces habrá sido uniforme en toda su longitud, se produce solamente en una zona localizada en tanto que el resto de la probeta no se deforma. En la zona afectada por este fenómeno la sección recta de la probeta se contrae en forma muy acusada, puesto que la deformación plástica tiene lugar a volumen constante, produciéndose el fenómeno llamado estricción o formación del cuello de la probeta que toma la forma de la Figura 9. La sección mínima S R en que la tensión es máxima y por la que se romperá el material, es entonces mucho menor que S 0, con lo que el factor S 0 /S crece hasta el final del ensayo y σv, crece continuamente hasta la rotura de la probeta, que tiene lugar, como es natural, cuando el material soporta la tensión verdadera máxima de la prueba. Sin embargo, la fuerza F que actúa sobre la probeta, que es la que mide la máquina, vale F = σv.S F al principio es creciente, pues hasta la formación del cuello S apenas varía y σv aumenta a causa del endurecimiento por deformación. Por el contrario, durante la formación del cuello la reducción de S es tan rápida que no queda compensada por el crecimiento de σv y la fuerza F disminuye. F tendrá así un máximo, al igual que la tensión convencional que es proporcional a la fuerza. A partir del momento en que se inicia la formación del cuello, la tensión convencional carece de sentido físico, pues al ser el cociente de una fuerza por una sección que no es ya la que la soporta, no representa ninguna tensión real.

FIGURA 9 ESTRICCIÓN PRODUCIDA EN UNA PROBETA ENSAYADA A TRACCIÓN

La obtención de la tensión real a que está sometido el material en cada momento del ensayo requiere el obtener la relación entre la fuerza y el área de la sección en cada punto de la curva. En estas condiciones se obtendría la curva real tensión-deformación (true stress/ true strain curve). Esta curva como se aprecia en la Figura 10 quedaría siempre por encima de la curva aparente tensión-deformación. En la curva real tensión-deformación la tensión crecería de forma continua hasta el momento de la rotura de la muestra. Las dificultades operativas que conlleva el cálculo del área en cada momento del ensayo ha conducido a que se prefiera por motivos prácticos la utilización de la curva aparente tensión-deformación.




FIGURA 10 CURVAS APARENTE Y REAL DE UNA PROBETA ENSAYADA A TRACCIÓN

La tensión de rotura de los materiales dúctiles no representa, pues, ninguna propiedad del material. El uso extenso que se ha hecho de ella se justifica sólo para la sencillez de su medida y porque siendo siempre igual o menor que la tensión de rotura real, cuando se la utiliza como referencia de la resistencia del material estamos del lado de la seguridad. Se prefiere, sin embargo, actualmente, medir la resistencia de un material por su límite elástico que si es una característica física. Así mismo, como los materiales han de trabajar habitualmente dentro del período elástico, la tensión admisible σt se fija como una fracción del límite elástico

σ

t

=

σ

E

K

en que K es un coeficiente de seguridad que representa el margen realmente existente entre la tensión de trabajo y aquélla a la que el material comenzaría a sufrir deformaciones permanentes. Esto parece más lógico que fijar la tensión de trabajo como una fracción de la tensión de rotura, σR, de forma que en la expresión:

σ t

=

σ

R

K

c) A largamiento Se definió anteriormente la deformación, o alargamiento unitario como:

ε

=

L − L0 L0




y que, al igual que el alargamiento absoluto ∆ L = L - L 0 ,es en los materiales dúctiles, en parte elástico y en parte plástico. Si llamamos LR a la longitud remanente de la probeta después de la rotura, medida juntando los dos trozos resultantes, la deformación de rotura (toda ella plástica) será

=

ε

R

L R

− L0

L0

Si se expresa en forma porcentual tenemos el alargamiento: A

=

L R

− L0

L0

x 100

= 100 ε R

El alargamiento representa la máxima extensión plástica unitaria que el metal puede soportar antes de romperse. Es, pues, una propiedad ligada a la deformabilidad, o sea, una característica dúctil. d) Estricción Una vez rota la probeta de tracción, el área de la sección de rotura es S R. Se denomina coeficiente de reducción de sección al cociente q=

So − SR

Z=

S0 − SR

S0

y llamamos estricción al valor

S0

x 100 = 100 q

El área de la sección de rotura de una probeta cilíndrica se toma igual a la de un círculo cuyo diámetro sea igual a la media aritmética de dos diámetros perpendiculares medidos en la sección rota. Si en el conjunto del ensayo, el material sufre un alargamiento permanente hasta la rotura, A, de valor elevado y una estricción, Z, pronunciada, se dice que su comportamiento ha sido “dúctil”. Si por el contrario, la rotura sobreviene sin que el material experimente una deformación plástica macroscópicamente apreciable su comportamiento se considera “frágil”. Generalmente, el aspecto de la sección de rotura de los materiales presenta caracteres distintos en los que han tenido comportamiento dúctil y en los que lo han tenido frágil. El aspecto de la sección de rotura de los materiales dúctiles suele ser mate y fibroso o leñoso, en tanto que en los materiales frágiles esa sección muestra, de ordinario, un aspecto cristalino y brillante. En la mayor parte de los casos la sección participa de ambas cualidades. Se habla así de sección de rotura dúctil, frágil o mixta. Existe, en general, una buena correspondencia entre el comportamiento global de un material durante el ensayo de tracción y el carácter de su sección de rotura, pero no es obligado que suceda siempre de esta manera. Indicaremos, sin embargo, que la mayor parte de los materiales dúctiles, es decir, que experimentan gran deformación plástica antes de la rotura en el ensayo de tracción, presentan sección de rotura dúctil. En los -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



materiales extremadamente dúctiles, como el oro o el plomo, las dos partes de la probeta se deforman antes de la rotura formando un cuello muy pronunciado que da lugar a dos porciones separadas en forma de ojiva, terminadas en punta. La sección de rotura característica de los materiales frágiles es plana, normal a la dirección de la carga y tiene aspecto cristalino. Las propiedades dúctiles medidas en el ensayo de tracción, es decir, el alargamiento A y la estricción Z, tienen gran importancia en ingeniería aunque esos parámetros no puedan introducirse directamente en el cálculo, como se hace con el límite elástico o la tensión de rotura. El margen de seguridad ofrecido por el material para resistir sin romperse concentraciones locales de tensiones o sobrecargas no previstas en el proyecto están directamente relacionadas con su ductilidad. Cuando se produce una concentración localizada de tensiones, que llegan a superar el límite elástico, en torno a un cambio brusco de sección, orificio de lubricación, marca de corrosión, defecto interno, etc., si el material es capaz de fluir plásticamente, la tensión se relaja disminuyendo su valor y el material, que endurece por deformación, es más apto para resistirla, lo que facilita el restablecimiento del equilibrio sin que se produzca la fisuración. Por el contrario, si el material es incapaz de deformarse plásticamente, la tensión se eleva al aumentar la carga hasta que sobrevenga la rotura. Análogo fenómeno tiene lugar, si el material no fluye plásticamente, al producirse una sobrecarga generalizada sobre toda la sección de la pieza, que no haya sido considerada en el proyecto. e) Trabajo absorb ido o energía absorbida Durante la realización de un ensayo de tracción el material absorberá una cierta cantidad de energía mientras se deforma y parte la almacenará, transformando el trabajo que contra él realizan las fuerzas exteriores en energía de deformación. La capacidad del material para absorber energía mientras se deforma elásticamente y restituirla mientras se descarga, en un proceso reversible, se llama energía elástica o también energía interna elástica. Se define como el trabajo absorbido por el material, por unidad de volumen, durante la deformación elástica y equivale al área OAB de la Figura 11. Su valor se expresa así: σ

E

2

2E

FIGURA 11 TRABAJO AB SORBIDO DURANTE LA DEFORMACIÓN ELÁSTICA -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Se ve que los materiales que tuvieran un elevado límite elástico, σE, y un módulo elástico, E, reducido poseerían una energía elástica muy alta. Esas dos propiedades no se dan, sin embargo, simultáneamente en los metales, que tienen, en general, módulos elásticos grandes. Por tanto, se consigue mejorar su energía elástica mediante tratamientos, como el temple en los aceros o el estirado en frío, que incrementan el límite elástico. Se consiguen así materiales que son capaces de almacenar gran cantidad de energía elástica mientras se deforman y devolverla cuando se los descarga, cualidad que se precisa en muelles, ballestas, etc. La Tabla I proporciona los módulos de elasticidad de algunos materiales. 2 MATERIAL E (N/mm2) E (N/mm ) Acero C: 0,2 2,07 x 105 310 Acero de alto C para muelles 2,07 x 105 950 3 Duraluminio 72 x 10 125 3 Cobre 110 x 10 28 Polímero acrílico 3,5 x 103 14 Caucho 1,0 2,0

UE 0,23 2,20 0,12 0,04 0,03 2,0

Llamamos energía plástica de un material a su capacidad para absorber trabajo mientras se deforma plásticamente. De ella depende su aptitud para resistir sin romperse tensiones ocasionales, de corta duración, superiores al límite elástico, lo que es de gran utilidad en elementos tales como cadenas de fondo de buques, acoplamientos de vagones, ganchos de grúa, etc. En teoría, la energía plástica debería medirse por el trabajo absorbido por el material, por unidad de volumen, mientras se deforma plásticamente. En la práctica, la energía plástica se mide por la energía total absorbida: elástica más plástica, es decir, por el área total comprendida bajo la curva de tracción, hasta la rotura, para la que se han dado algunas fórmulas aproximadas, utilizables para ciertos materiales. En el caso de los aceros bajos en carbono recocidos o normalizados y, por tanto, muy dúctiles y que presenten formación de cuello, se ha propuesto las expresiones: σR · εR

ó

σ

E

+ σ R 2

ε

R

en que εR representa la deformación al alcanzarse la tensión máxima (antes de iniciarse la estricción).

2.2. Ensayo de torsión En el ensayo de torsión se somete una probeta cilíndrica del material en estudio a un par torsor cuyo momento es paralelo al eje de aquélla, y cuyo valor crece gradualmente hasta la rotura de la muestra. La probeta se sujeta entre dos mordazas, que forman parte de los cabezales de la máquina de ensayo. La cabeza de torsión aplica el par y la cabeza de medida registra el valor de éste y el del ángulo de torsión correspondiente. A lo largo de la prueba se determinan importantes características del material, como el módulo de elasticidad a cizalladura G, el límite elástico a esfuerzo cortante, τE y la tensión cortante de rotura, τR. El ensayo facilita también información de gran interés sobre el comportamiento plástico del material. Pese a todo, no es una prueba de aplicación tan extendida como el ensayo de tracción. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



2.3. Ensayo de dureza La dureza es una propiedad de los materiales que identifica el comportamiento de su superficie al interaccionar con otros materiales. A pesar de existir una noción de dureza, que permite distinguir los cuerpos “duros” de los “blandos”, existen diferentes formas de interacción y por tanto diferentes maneras de definir la dureza de los materiales. En los metales, la dureza, es la resistencia que oponen esos materiales a ser penetrados superficialmente por otros cuerpos. Fundándose en ella se han ideado diversos sistemas de medir la dureza, que coinciden en esencia y consisten en aplicar un penetrador, de forma y dimensiones fijas, contra la superficie preparada de una superficie a ensayar, bajo una carga suficientemente grande como para asegurar una deformación permanente localizada. Se mide, después, la dimensión de la huella causada por el penetrador o la recuperación de la superficie después de retirada la carga aplicada. La dureza se obtiene numéricamente como función de esa dimensión o recuperación experimentada por el material. La dureza al rayado es de utilización común en mineralogía: un material es más duro que otro si es capaz de rayarle. Así se establece la escala de Mohs, para lo que se utilizan diez minerales bien definidos, cada uno de los cuales raya al anterior (salvo el primero) y es rayado por el siguiente (salvo el último). El primer mineral y más blando es el talco al que se asigna dureza 1 y el último el diamante, de dureza 10. En esta escala una uña tiene aproximadamente dureza 2, el cobre recocido, dureza 3 y la martensita dureza 7. La mayor parte de los metales duros tienen durezas comprendidas entre 4 y 8. La escala de Mohs no es, sin embargo, aplicable a los metales por las dificultades de interpolación y porque los intervalos de dureza en la parte alta de la escala no tienen una amplitud adecuada. Otro sistema de medida de la dureza al rayado, consiste en medir la profundidad o anchura de una ralladura practicada en la superficie de la muestra arrastrando sobre ella, bajo una carga determinada, una punta de diamante. La medida de dureza al rebote, dureza de impacto o dureza dinámica, expresa esa propiedad como energía consumida en un impacto. El sistema más utilizado es el Shore, que recurre al aparato llamado escleróscopo, que deja caer sobre la superficie de la muestra una bola de acero, contenida en un tubo de cristal, desde una altura determinada y mide la altura alcanzada por la bola en el rebote. La diferencia entre esta altura y la de la caída inicial corresponde a la energía consumida en el impacto Se analizarán los sistemas de medida de durezas de uso más corriente utilizados en metales. 2.3.1. Dureza Brinell En el año 1900, el ingeniero sueco J.A. Brinell propuso el ensayo de dureza que lleva su nombre y que ha merecido gran aceptación. Utiliza un penetrador consistente en una bola de acero de 10 mm de diámetro, que se comprime contra la superficie de la muestra mediante una fuerza de 3.000 kg. El valor de dureza se calcula a partir de la medida del diámetro de la huella, Figura 12 y es igual al cociente de dividir la carga F por la superficie de la huella considerada como un casquete esférico. La dureza Brinell se designa por HB (Hardness Brinell) y vale: HB =

F S

F

= π

Dh

pero, (d/2) 2 = h (D - h) luego h2 - Dh + (d/4) = 0 de donde




h=

D − D2 − d 2

2

que llevado a la ecuación anterior da: 2 F

HB =

(

π D D

−

D

2

− d 2

)

[kg/mm2]

El número de dureza se expresa así con dimensiones de presión, pero no tiene un significado físico concreto pues no representa una presión media sobre la huella.

FIGURA 12 GEOMETRÍA DE LA HUELLA PRODUCIDA DURANTE EL ENSAYO B RINELL

Se ha demostrado que para obtener el mismo número de dureza con distintas cargas y diámetros de bola, deben producirse huellas geométricamente semejantes, lo que requiere que se cumpla la relación F 1 D1

2

=

F 2 D2

2

=

F 3 D3

2

= ………

luego para que los ensayos sean comparables con el que utiliza bola de 10 mm y carga de 3.000 kg, la relación deberá ser: F = 30 D2 En muchos casos la carga de 3.000 kg no puede ser soportada por el conjunto de la pieza cuya dureza queremos medir. Entonces pueden emplearse cargas menores con bolas más pequeñas, siempre que entre F y D se conserve la relación anterior. Se usan corrientemente bolas de 5 ó 2,5 mm de diámetro, con cargas de 750 y 187,5 kg respectivamente. Tratándose de materiales blandos, o cuando se pretende medir la dureza de capas endurecidas delgadas o de láminas muy finas, las cargas deben guardar una relación con el diámetro de la bola más reducida para -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



evitar la excesiva penetración de la esfera. Se usan así las relaciones F = 10 D 2 ; F = 5 D2 y F = 2,5 D 2. Las máquinas de dureza Brinell permiten, generalmente, disponer de las combinaciones de cargas y diámetros de bola de la siguiente tabla:

Grueso de la probeta (mm) >6 De 6 a 3 <3

de la bola (mm) 10 5 2,5

30 D2 3000 750 187,5

CARGA F (kg) 10 D2 5 D2 2,5 D2 1000 500 250 250 125 62,5 62,5 31,5 15,6

TABLA II

La prueba de dureza Brinell presenta como ventaja que, al producir una huella relativamente grande, da una medida de la dureza muy representativa de esta propiedad en el material ensayado, además, resulta poco influenciada por pequeños defectos superficiales en la muestra, como arañazos, etc., por lo que no se precisa realizar un pulido cuidadoso de la misma. Por el contrario, el tamaño relativamente grande de la huella puede ser un inconveniente en otros casos, como que la presencia de tal marca pueda hacer a la pieza inutilizable, o cuando hay que medir dureza de zonas afectadas estrechas, donde el tamaño de la huella es mayor que la anchura de la ZAT. Debe tenerse también en cuenta que el ensayo de Brinell no conviene a materiales muy duros (HB>500) pues la bola se achata al ser comprimida contra ellos, con lo que el diámetro de la huella es mayor que si el penetrador permaneciese esférico, lo que hace que el material aparezca como más blando de lo que realmente es. La ejecución del ensayo de Brinell requiere que como diámetro de la huella debe tomarse la media de dos diámetros perpendiculares. Han de hacerse, en cada caso, dos medidas de dureza y tomar su promedio como valor representativo de esa propiedad en el material. Entre los centros de dos huellas debe existir una distancia de al menos 2,5D y entre la huella y el borde del material la distancia no debe ser inferior a 1,5D. La norma da también tolerancias máximas en cuanto a esfericidad del penetrador, y deformación máxima del mismo al comprimirlo sobre un material con dureza HB > 500. La aplicación de la carga F debe ser gradual y producirse en un tiempo no menor de 15 seg. lo que realiza la máquina por medio de un amortiguador hidráulico. La carga debe actuar un tiempo de al menos 30 seg. en materiales de dureza media. En aceros con dureza HB ≥ 140 basta con unos 10 seg. y en materiales muy blandos como plomo, cinc, aleaciones antifricción, etc., pueden requerirse tiempos de hasta 3 minutos. 2.3.2. Dureza Vickers Emplea como penetrador una pirámide de diamante de base cuadrada en la que las caras opuestas forman un ángulo diedro de 136º ± 1. La carga que actúa sobre el penetrador puede ser de 1, 5, 10,30, 50, 100 y 150 Kg. Normalmente se utiliza una carga de 5 Kg, HVS, en la normativa europea y de 10 Kg, HV10 en la americana, los valores más bajos de carga, 1 Kg se suelen emplear en materiales blandos, Al y Ti.




La carga debe actuar durante un tiempo de 15 seg. La dureza Vickers (HV) al igual que la Brinell, se obtiene de dividir la carga en kg por la superficie verdadera de la huella en mm. Esta superficie se expresa en función de la diagonal de la huella, Figura 13, por: I

S =

2

2 sen ⋅

136 2

con lo que HV =

2F sen 136 2 I2

= 1,8544

F I2

FIGURA 13 GEOMETRÍA DE LA HUELLA PRODUCIDA DURANTE EL ENSAYO VICKERS

El ángulo de 136º no es caprichoso. En realidad el ensayo de Vickers no es sino una variante del Brinell, en el cual el penetrador, al ser de diamante, es más indeformable y las huellas producidas sobre un mismo material, bajo cargas distintas, son todas semejantes. En la mayor parte de los ensayos Brinell la relación d/D se encuentra comprendida entre 0,25 y 0,50. En la pirámide de diamante con ángulo de 136º, la huella obtenida correspondería en un ensayo Brinell a una relación d/D = 0,375, con lo que los valores de HB y HV son prácticamente idénticos en tanto las huellas del penetrador Brinell tengan una profundidad normal, es decir para materiales blandos. Las huellas estarán separadas unas de otras, y de los bordes de la muestra, una distancia no inferior a 2,5 l.




2.3.3. Dureza Rockwell El ensayo Rockwell se presentó en 1929, ideado especialmente para materiales duros que no podían ser ensayados adecuadamente por el método Brinell. En el ensayo Rockwell se utilizan alternativamente, un penetrador cónico de diamante o un penetrador esférico de acero, cuyo diámetro puede ser 1/16", 1/8", 1/4" ó 1/2". El penetrador cónico tiene un ángulo en el vértice de 120º y la punta está redondeada con un radio de 0,2 mm. En el ensayo Rockwell actúan dos cargas diferentes. Primero se aplica una carga pequeña de 10 kg, y luego además de aquella, actúa otra carga mayor de 90 o 140 kg, según se emplee como penetrador una bola o un diamante. La dureza Rockwell es función de la diferencia entre la penetración conseguida cuando actúa la carga pequeña y la profundidad de la huella permanente que hicieron las dos cargas actuando simultáneamente. El uso de la carga inicial asegura un contacto normalizado entre el penetrador y la pieza en los momentos inicial y final de la medida. Para piezas de dureza alta se emplea como cuerpo penetrador el cono de diamante y las durezas obtenidas se denominan Rockwell-C a partir de 22HRc, sino emplear HRb. Para materiales blandos se utiliza la bola de acero templado de 1/16” y las durezas obtenidas se denominan Rockwell-B En la prueba se mide la profundidad de la huella mediante un micrometro, accionado por el penetrador, cuya escala está graduada de 0,002 en 0,002 mm. La dureza Rockwell se expresa con las iniciales HR seguidas de la que corresponde a la escala empleada. Así un material con dureza de 52 unidades, medida con penetrador cónico y carga de 150 kg tiene una dureza 52 HRC El ensayo de dureza Rockwell está tipificado en España por la norma UNE 7.053 que da recomendaciones para el uso de las distintas escalas. Los ensayos de dureza aparecen reguladas en distintas normativas y códigos. En Europa son de aplicación las siguientes Normas: •

EN-1043-1:1996 “Ensayos destructivos de soldaduras en materiales metálicos. Ensayo de dureza. Parte 1: Ensayo de dureza en uniones soldadas por arco”.

•

EN-1043-2:1997 “Ensayos destructivos de soldaduras en materiales metálicos. Ensayo de dureza. Parte 2: Ensayo de microdureza en uniones soldadas”

•

ISO 6507-1:1997 “Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: Método de ensayo”.

•

ISO 6507-2:1997 “Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 2: Comprobación de las máquinas de ensayo”.

•

ISO 6507-3:1997 “Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 3: Calibración de bloques de referencia”.




2.3.4. Microdurezas En ocasiones se requiere la medida de durezas en superficies muy reducidas, como cuando se desea conocer la dureza de algunos microconstituyentes, la dureza de piezas muy pequeñas, como engranajes de relojería o si se trata de determinar el gradiente de dureza en una capa cementada o en un cordón de soldadura. Se utiliza para ello penetradores de diamante con cargas que van de 25 a 1000 gr. Las cargas más grandes se utilizarán para medidas macroscópicas, mientras que las más pequeñas para la determinación de la dureza de fases o microconstituyentes. El sistema más utilizado es el que utiliza un penetrador Vickers, de geometría similar al utilizado en los ensayos de dureza descritos anteriormente, pero adaptado a un microscopio metalográfico que permite medir el tamaño de la microhuella producida sobre el material ensayado. La determinación de microdurezas requiere el disponer de una superficie plana, perfectamente pulida de calidad metalográfica, necesaria para localizar las zonas de aplicación del penetrador y para la medida posterior de las huellas producidas. Esta calidad deberá ser mayor cuanto menor sea el elemento sobre el que se quiere determinar la dureza. La dureza obtenida se obtiene en función del tamaño de la huella producida y la carga de indentación aplicada. La formula aplicada para determinar el valor de dureza Vickers es similar a la utilizada en el ensayo de dureza (HV = 1,8544F/l 2) y las unidades las mismas (kg/mm2). Desde un punto de vista operatorio el ensayo presenta variaciones en función de la carga de indentación aplicada y el tiempo de penetración. Para ensayos comparativos se recomienda por tanto utilizar siempre la misma carga y el mismo tiempo.

2.3. Ensayo de doblado La medición de la ductilidad se realiza en el ensayo de tracción por medio del alargamiento, que nos determina la ductilidad general del material, como conjunto todo él, y por medio de la estricción, que nos determina la ductilidad localizada en la zona de fractura, pero en dicho ensayo no es posible determinar si existen secciones fragilizadas en la probeta, es por ello que se hace necesario el ensayo de doblado o plegado, para la confirmación de dicha ductilidad. Dado que la ductilidad se define como la medida de la deformación plástica que puede soportar el material antes de romper, el ensayo se realiza doblando la probeta con una curvatura determinada hasta que las dos ramas de la misma queden paralelas o formando un ángulo determinado. Al doblar la probeta, su cara exterior queda sometida a tracción, según la ley que puede observarse en la Figura 14 debiendo ser observada durante el ensayo para poder apreciar la posible formación de grietas que correspondería a una rotura del material por tracción.

FIGURA 14 PERFIL DE TENSIONES QUE EXPERIMENTARÁ LA PROBETA DURANTE EL ENSAYO DE DOBLADO -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Las causas de fragilización localizadas son variadas, siendo una de las más usuales los calentamientos y enfriamientos localizados que se producen en procesos constructivos, como ocurre en la realización de uniones soldadas. Deberán prepararse probetas para ensayar que reflejen, con la mayor aproximación posible, el proceso constructivo real. 2.3.1. Probetas Las probetas a utilizar deberán estar de acuerdo con la norma o especificación con la que se vaya a ensayar, aunque en general éstas tienen cierta similitud. Si el material a ensayar es una plancha o perfil suelen ser tiras del mismo de espesor igual al de la pieza a ensayar, y en la que se conservarán sus caras de laminación. Si el espesor fuera muy grande, mayor de 12,5 mm las normas suelen permitir el mecanizado de una de las caras hasta reducir este espesor, conservando la cara de laminación que será la que se someterá a tracción durante el ensayo. Las aristas de la carga que va a ser sometida a tracción pueden redondearse con un radio no mayor, en general, a 1/10 el espesor de la probeta, con la finalidad de evitar cantos vivos, que además de originar concentraciones de esfuerzos pueden tener defectos producidos por el corte de la probeta y falsear la aparición de grietas. Las barras redondas o poligonales suelen ensayarse con un trozo de la misma, como probeta, si su diámetro o el círculo inscrito es inferior a 30 mm. Para materiales forjados o fundidos la probeta se suele mecanizar en todas sus caras, dado que normalmente con aquellos se elaboran piezas mecanizadas. La norma UNE 7-292 es la que define las probetas a usar en el ensayo de doblado. 2.3.2. Realización del ensayo El ensayo se realiza colocando la probeta sobre dos apoyos cilíndricos con la parte a someter a tracción en contacto con dichos apoyos (Figura 15). Por la parte superior de la probeta y en el centro de los apoyos se presionará con un mandril cilíndrico, cuya longitud deberá ser mayor que el ancho de la probeta.

FIGURA 15 REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE DOBLADO -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Uno de los parámetros más importante del ensayo es el diámetro del mandril, ya que es el que define la curvatura y por tanto la solicitación a la que se somete la parte traccionada de la probeta. A mayor radio de mandril, menor curvatura y por tanto menor esfuerzo. El diámetro del mandril viene fijado por las normas, atendiendo al tipo de material a ensayar. El diámetro de los rodillos de apoyo, así como su separación y la fuerza con que se aplica el mandril no tienen influencia en el ensayo, puesto que no afecta a la curvatura que se produce en la probeta. A pesar de ello las normas definen estas magnitudes con la finalidad de evitar flechas excesivas. La carga se aplica lentamente hasta alcanzar el ángulo de doblado especificado o hasta la aparición de grietas. Si el doblado es hasta 180º y no puede terminarse con el dispositivo del mandril, se finalizará con un tornillo de banco o mediante compresión hasta que las ramas queden paralelas y a una distancia igual al diámetro del mandril, lo que se obtienen interponiendo suplementos entre las dos ramas.

2.4 Ensayos de impacto Existen diferentes procesos para determinar el comportamiento de los materiales bajo la acción de cargas dinámicas. Todos ellos tratan de evaluar la existencia de una cierta deformación plástica antes de que se produzca la rotura. Es decir de la capacidad de absorción de energía del material cuando la aplicación de la carga se realiza en un intervalo muy corto de tiempo. Se detallarán dos ensayos ampliamente utilizados: el ensayo Charpy y el ensayo Pelini. 2.4.1. Ensayo Charpy El Charpy o ensayo de resiliencia representa bastante bien la tenacidad o resistencia de un material a la rotura frágil, por lo que su uso está muy generalizado, figurando a menudo entre las pruebas de recepción especificadas para muchos materiales. El ensayo relaciona el comportamiento de un material sometido a la aplicación de una carga resultante de las tensiones multiaxiales asociadas con una entalla, simultáneamente con una alta velocidad de aplicación de la carga y la temperatura a la que se realiza el ensayo. La probeta se rompe en una máquina similar a la de la Figura 16 por la acción de un péndulo de elevada masa que parte de una posición inicial a una altura H 0. Cuando el péndulo atraviesa la posición más baja, la cuchilla situado en ella, golpea sobre la probeta en la sección entallada, por la parte opuesta a la entalla y rompe la muestra. El péndulo asciende entonces hasta una altura H F. La energía consumida en la rotura de la probeta, será la diferencia de energía potencial entre la altura antes y después de la rotura (Figura 16) Las pérdidas en el cojinete y por resistencia del aire son muy pequeñas y la esfera de la máquina tiene ya una corrección para que su lectura proporcione de manera directa la energía consumida en la rotura, que se denomina resiliencia del material. La mayor parte de los péndulos tienen en su posición alta una energía potencial de 30 kgm (294 J). La máxima velocidad lineal del péndulo al atravesar la vertical, en vacío (sin probeta) es del orden de los 5 m/s. Las probetas que se utilizan para el ensayo se representan en la Figura 17. Debe observarse que las más empleadas son las ISO V que aseguran una mejor reproducibilidad de la prueba. De todas formas una característica del ensayo de resiliencia es que adolece de marcada dispersión de resultados por lo que, generalmente, se prescribe dar como valor de esa propiedad la media de las resiliencias obtenidas en tres ensayos. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Las resiliencias medidas en probetas ISO con entalla en V se representan con las letras KV si se expresan en Julios (J). Si se emplean probetas ISO con entalla en U la resiliencia se designa con las letras KU si se da en J. Todos los péndulos se calibran (E-23 ASTM) o (EN-10045-1): es crítica esa calibración.

FIGURA 16 PÉNDULO Y FORMA DE EJECUCIÓN DEL ENSAYO CHARPY




FIGURA 17 PROBETAS NORMALIZADAS PARA EL ENSAYO CHARPY

Para ensayar las probetas a bajas temperaturas se las enfría en un medio refrigerante adecuado. Desde el momento en que se extrae la probeta del baño hasta que se rompe no deben transcurrir más de 5 segundos. La inercia térmica de la probeta asegura que su temperatura no se eleve de forma apreciable en ese tiempo. Los líquidos refrigerantes pueden ser: mezclas de éter-alcohol, freón-22 o nitrógeno líquido, en función de la temperatura que sea preciso alcanzar, los intervalos de temperatura admisibles en E-23 (p.e. ensayos ASME) y en EN-10045 no son los mismos, la normativa americana resulta más exigentes en esas tolerancias. Si se someten al ensayo de resiliencia diversas probetas de un mismo material, a temperaturas decrecientes, se aprecia una disminución de la energía absorbida a medida en que baja la temperatura. En la Figura 18 se aprecia como se produce esta disminución de resiliencia desde un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Las curvas que representan la variación de la resiliencia con la temperatura se llaman curvas de transición dúctiles-frágil o, más brevemente curvas de transición. El paso de dúctil a frágil no es, en general, muy abrupto sino que se produce a lo largo de un intervalo de temperaturas que puede ser hasta de unos 80ºC.




FIGURA 18 CURVA DE TRANSICIÓN DÚCTIL -FRÁGIL EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

Ante la dificultad de definir adecuadamente la fragilización del material en el intervalo de transición, lo que exigiría calcular por ensayos un trozo de la curva, se opta por dar para cada material una temperatura de transición, que se define con arreglo a diferentes criterios, en realidad arbitrarios. Se considera así que la temperatura de transición correspondiente a un valor dado de la energía absorbida o que corresponde a la temperatura a la cual se obtiene la mitad del valor de la resiliencia dúctil. Otra forma de considerar el comportamiento dúctil-frágil es en función del aspecto de la sección de rotura. Cuando la fractura es dúctil la sección de rotura tiene en su totalidad una apariencia fibrosa. Si es frágil, la sección se muestra totalmente granular o cristalina. En la zona de transición, el carácter de la rotura es mixto y la sección presenta una zona exterior fibrosa y otra interior cristalina. 2.4.2. Ensayo Pelini o de determinación de la temperatura de transición de no ductilidad (Drop Weight Nil-Ductility Transition Temperature). Este ensayo se desarrolló para determinar las condiciones de iniciación de fracturas frágiles en aceros estructurales, especialmente por la presencia de pequeñas discontinuidades situadas en zonas de elevados esfuerzos. Para simular estas condiciones, las probetas consisten en pequeñas secciones de material en las que se realizan depósitos de soldadura frágiles, con el fin de que actúen como iniciadoras de grietas. Las probetas (Figura 19) son cargadas dinámicamente mediante un peso que cae y los somete a un plegado controlado, produciendo una rotura en el depósito de soldadura y una deformación del material base, caso que éste no llegase a romper. Al depósito de soldadura le ha sido previamente practicada una entalla artificial, perpendicular al cordón depositado. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



FIGURA 19 FORMA DE PREPARAR LA PROBETA PARA REALIZAR EL ENSAYO PELINI




Las probetas, durante el ensayo, muestran un cambio del comportamiento de rompe a no-rompe, lo que implica un cambio brusco entre diferentes incrementos de temperatura sucesivos hasta conseguir la rotura. La temperatura más alta a la cual la probeta rompe se la conoce como temperatura NDT (nil-ductility transition). El cambio de no-rompe a rompe es una indicación del fenómeno de transición dúctil a frágil que exhiben los aceros dulces o suaves, por lo que estos ensayos no son aplicables a los aceros de alta resistencia que no posean una temperatura de transición abrupta, o a aquellos materiales que originen una zona térmicamente afectada dura como resultado del depósito frágil de soldadura. La norma ASTM-E-208 define este tipo de ensayo.

3. ENSAYOS MECÁNICOS ESPECÍFICOS Los ensayos expuestos hasta ahora son ensayos de utilización general para la caracterización de los materiales. En ocasiones, por las particulares circunstancias de trabajo en servicio, puede ser necesario verificar el comportamiento de los materiales en condiciones especiales, haciéndose necesario el determinar otras propiedades mecánicas adicionales a las obtenidas anteriormente. Es conveniente destacar que en la realización de conjuntos soldados, si se requieren determinadas propiedades en el material base, esas mismas propiedades deberán evaluarse en las uniones, tanto en la zona fundida como en la afectada térmicamente. Esto suele ser recogido como apéndices, tanto en los códigos como en las especificaciones de fabricación.

3.1. Ensayo de Tenacidad de Fractur a Denominamos fractura o rotura, a la fragmentación o división de un sólido en dos o más partes. La fractura conduce, así, a la creación de nuevas superficies, que llamamos superficies de rotura a las que va asociada una cierta energía. Por lo tanto, la producción de una fractura requiere el aporte al cuerpo de cierta cantidad de energía, suministrada, en unos casos, por las fuerzas aplicadas o por las procedentes de un campo exterior. En todo caso, el fenómeno de la rotura consiste en la iniciación de una grieta o fisura y en su propagación a través del sólido. Este proceso puede realizarse en un solo paso, o primero generarse una fisura de pequeño tamaño que va creciendo lentamente (crecimiento estable), hasta que alcanza una dimensión suficientemente grande y se propaga de forma brusca provocando la rotura del componente (crecimiento inestable). 3.1.1. Fractura dúctil y frágil Llamamos rotura frágil a la que tiene lugar sin deformación plástica macroscópicamente observable. Si se recomponen los fragmentos producidos en una rotura frágil, el conjunto recupera la forma y dimensiones originales. La sección o superficie de una rotura frágil tiene una apariencia características, que se designa como cristalina o granular, semejante a la de un terrón de sal o azúcar muy finas, que evidencian la naturaleza policristalina del metal. Se denomina rotura dúctil la que se produce con una deformación plástica apreciable, de forma que, si se recomponen los fragmentos obtenidos, la geometría del conjunto así formado es muy distinta de la que tenía el cuerpo antes de romperse. La sección de una rotura dúctil tiene un aspecto mate y una apariencia peculiar que se designa como fibrosa o leñosa que, una vez vista en algunos casos, es ya fácil de identificar. Desde el punto de vista cristalográfico las roturas frágil y dúctil tienen diferencias esenciales. La primera sobreviene en virtud de un mecanismo llamado clivaje o despegue, que consiste en la división de cada -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



cristal en dos planos cristalográficos bajo la acción de una tensión, normal a ellos, capaz de vencer las fuerzas de cohesión. La Figura 20 representa esquemáticamente la rotura por clivaje de un cristal de forma prismática. Obsérvese que al no existir en la rotura frágil deformación plástica, la deformación que sufre el cristal durante el proceso, es sólo elástica y desaparece al producirse la fractura y quedar descargado el cristal. Por esa circunstancia, como hemos dicho antes, una vez recompuestos los dos fragmentos, la geometría del cristal coincide con la que tenía antes de romperse. En la Figura 20(a) el cristal está descargado y su longitud es L. En (b), un momento antes de la rotura, soporta una tensión σR y experimenta una deformación elástica ∆L. En (c), una vez roto, se divide en dos fragmentos de longitudes L 1 y L 2, de los que han desaparecido las deformaciones elásticas ∆L1 y ∆L2 y que, por tanto, una vez unidos en (d) recomponen el cristal en su forma y dimensiones iniciales. Obsérvese que la sección de rotura aparece normal a la tensión σR.

FIGURA 20 PROCESO DE ROTURA FRÁGIL

En los sólidos policristalinos, como son los metales comerciales, el fenómeno de la fractura frágil es mucho más complejo. Los cristales situados en la sección de rotura se dividen por clivaje, como hemos explicado para un monocristal, según planos cristalográficos determinados, bajo la acción de las tensiones normales a ellos. Las superficies de fractura, S, así creadas, orientadas al azar, como los cristales o granos de que procedan, reflejan la luz incidente en todas direcciones y producen los brillos característicos de las roturas frágiles. A diferencia de la fractura frágil, la dúctil, también transcristalina, se origina por la acción de las tensiones tangenciales en vez de las normales y va precedida de una deformación plástica de cada cristal por deslizamiento, en virtud de la cual unas partes del cristal resbalan sobre otras según planos cristalográficos de orientación determinada (Figura 21) hasta que se produce la fragmentación del cristal. En (a) el cristal está todavía descargado. En (b) ya sometido a una tensión tangencial experimenta una deformación plástica por deslizamiento que es mayor en (c), y en (d) el cristal aparece dividido en dos porciones A y B, a lo largo del plano de rotura S. En la fractura dúctil la sección de rotura forma un ángulo próximo a 45º con la dirección de las fuerzas de tracción, pues es en los planos de esa orientación donde se producen los esfuerzos tangenciales máximos.




FIGURA 21 PROCESO DE ROTURA DÚCTIL

En la práctica, la mayor parte de las fracturas que se presentan en servicio no son ni totalmente frágiles ni absolutamente dúctiles, sino que participan de ambos caracteres, como se pone de manifiesto en el examen de las secciones de rotura, que suelen se de tipo mixto, en parte cristalinas y en parte fibrosas. En el lenguaje técnico se las califica como dúctiles o frágiles según el carácter predominante. Desde principios del siglo pasado se tenían noticias de que materiales que en el ensayo convencional de tracción se habían mostrado dúctiles, presentaba en servicio rotura frágil. Los accidentes catastróficos como el Puente del Zoo de Berlín (1936), el Puente Oeste de los Tres Riós (Canadá, 1951) y quizás los casos más espectaculares se presentaron en la Segunda Guerra Mundial, cuando de los 4.694 buques tipo Liberty y petroleros T2 construidos en Norteamérica, para contrarrestar las pérdidas ocasionadas por el arma submarina alemana, 1.289 presentaron roturas importantes de carácter frágil de las que 233 fueron particularmente graves y algunas ocasionaron el seccionamiento en dos de los buques. El hecho de que los accidentes citados aparecieran en estructuras soldadas indujo, al principio, a pensar que el origen del problema se encontraba en transformaciones estructurales operadas en el metal a consecuencia del soldeo, pero pronto se desechó tal hipótesis al comprobar que la resistencia de las uniones soldadas, si estaban bien realizadas y con electrodos adecuados, era incluso superior a la del metal de base. La iniciación y propagación de las grietas obedecía otras causas, si bien, el carácter monolítico de las estructuras y cascos soldados hacían el fenómeno particularmente peligroso, pues, una vez iniciada la propagación de la fisura, ésta no encontraba ninguna zona en el material en que pudiera detenerse, como sucedería si las uniones fuesen remachadas. Las investigaciones llevadas a cabo a partir de los accidentes de los buques Liberty y T2, llevaron a la conclusión de que, aceros habitualmente dúctiles, como las calidades soldables empleadas en construcción naval, que en el ensayo convencional de tracción realizado a la temperatura del laboratorio, en régimen de carga estática y bajo solicitación de tracción uniaxial, muestran grandes alargamientos y estricciones pronunciadas, se vuelven frágiles en circunstancias diferentes de las del ensayo. En particular se comprobó que actúan como factores fragilizantes: -

Las temperaturas bajas

-

Los estados de tensión de triaxialidad elevada

-

Las grandes velocidades de aplicación de las cargas o grandes velocidades de deformación.




3.1.2. Fractura lineal elástica En 1921, A. A. Griffith formuló una teoría de la fractura frágil, al tratar de explicar la discrepancia entre la resistencia teórica del vidrio y los valores observados experimentalmente. Griffith supuso que sus probetas de vidrio contenían microgrietas y que los valores observados, no eran sino los valores de la resistencia residual en presencia de esas grietas. En un medio casi perfectamente elástico como es el vidrio, las tensiones en el borde de una grieta alcanzan el valor de la resistencia teórica. Para que se produzca la propagación de una grieta, la disminución de energía potencial que acompaña a su propagación deberá compensar el incremento en la energía de superficie que se produce al aumentar el área de las superficies libres, es decir, la energía requerida para el crecimiento de la grieta. La formulación de Griffith es aplicable a los materiales de elevada fragilidad, como los materiales cerámicos, donde la concentración de tensiones en el borde de una grieta es suficiente para romper los enlaces atómicos. Sin embargo, los materiales metálicos al ser dúctiles, experimentan en el extremo de las grietas una deformación plástica que relaja las tensiones antes de que alcancen el valor crítico, necesario para romper los enlaces. La condición expresada matemáticamente por la ecuación de Griffith es por tanto necesaria, pero no suficiente, para que una grieta se propague. Para que esta propagación se produzca se requiere además un mecanismo que asegure la ruptura de los enlaces atómicos en el borde de la grieta. En 1957, G. R. Irwin calculó el campo de tensiones alrededor del extremo de una grieta, en un cuerpo arbitrario con una grieta interna o discontinuidad de longitud 2a (o que aflore a la superficie de magnitud a) y sometido a una carga remota que le produzca una apertura en modo I. En el sistema de coordenadas que se recoge en la Figura 22, la distribución de tensiones delante de una grieta se expresa de la forma: σij = KI f ij(θ)/√(2πr)

donde r y θ son las coordenadas del punto en cuestión respecto al vértice de la grieta, f ij(θ)es una función que depende sólo de la geometría de la grieta y la forma de aplicación de las tensiones y K I es el factor de intensidad de tensiones en modo I de carga.

FIGURA 22 C AMPO DE TENSIONES EN LA ZONA PRÓXIMA AL FONDO DE UNA GRIETA INTERNA DE LO NGITUD 2a




El factor de intensidad de tensiones KI es un parámetro muy importante al describir el campo de tensiones alrededor del fondo de grieta. Su valor depende de la tensión remota aplicada, del tamaño y posición de la grieta y de la geometría del sólido donde se encuentra dicha grieta: KI = ασ√(πa) Según la teoría de Griffith la propagación de una grieta en un vidrio se producía cuando el nivel de tensiones aplicadas supera un valor crítico σc. De igual forma para un material metálico donde exista una pequeña zona plástica en el extremo de la grieta pero vaya a presentar unas condiciones de fractura frágil, existirá un valor critico para el parámetro de intensidad de tensiones, que es el que define la composición del campo de tensiones en el fondo de la grieta, por encima del cual se producirá la propagación inestable de la grieta o defecto existente. Este valor se denomina factor de intensidad de tensiones crítico en modo I: KIc o tenacidad de fractura del material. En dos estructuras con diferentes combinaciones de tensión, forma y tamaño de la grieta, pero tales que arrojen el mismo valor de K, las tensiones delante de las grietas serán las mismas. Si dos estructuras son del mismo material y una de ellas rompe a un determinado valor de intensidad de tensiones crítico, K c, la otra también romperá cuando el correspondiente K alcance el valor de K c, que constituye una propiedad del material, como lo puede ser el límite elástico o el módulo de Young. La tenacidad de fractura es una propiedad que determina la resistencia de un material a la fractura frágil cuando existen grietas o defectos en su interior (cosa que como se ha dicho anteriormente ocurre siempre, ya sean de mayor o menor magnitud). Las unidades de la tenacidad de fractura son MPa √m. La determinación de la tenacidad a fractura del material se realiza calculando la fuerza necesaria para la propagación de una grieta cuyo extremo se encuentra en condiciones de deformación plana. Normalmente las grietas se forman en la superficie de los materiales y luego van propagando hacía el interior de los mismos, cuando el grosor de estos es suficiente el campo de tensiones que encuentra el frente de grieta se aproxima a un estado de deformación plana, que es el más desfavorable y por tanto cuando el material se encuentra en condiciones más frágiles. Por tanto, el valor obtenido de la tenacidad de fractura (K Ic) en condiciones de deformación plana representa el límite inferior de la tenacidad a la fractura que puede presentar un material. En la Figura 23 se muestran cuatro geometrías de probetas habitualmente utilizadas para la determinación de la tenacidad de fractura. La probeta compacta es la más utilizada por ser la que permite utilizar menos cantidad de material. Las probetas disco y arco se utilizan cuando el material tiene una geometría donde resulta más económico realizar estas preparaciones. Las probetas son entalladas mecánicamente y preagrietadas por fatiga antes de ser ensayadas. El ensayo consiste en medir la fuerza que soporta la muestra en función del desplazamiento en el borde exterior de la grieta, obteniéndose curvas como las que se muestran en la Figura 23. El valor obtenido de P Q será el utilizado para calcular la tenacidad de fractura (K Q=YPQ/B√W); donde Y es función de la geometría de la pieza y la grieta. Si el ensayo es considerado válido K Ic=KQ. El analizar las condiciones de validez del un ensayo de tenacidad de fractura está fuera del alcance previsto en este tema, pero básicamente consisten en comprobar que efectivamente la probeta tiene un valor de W suficientemente grande para asegurar que el ensayo se ha realizado en condiciones de deformación plana y que la pregrieta realizada, así como su propagación durante el ensayo, están dentro de unos márgenes que permiten asegurar que el ensayo se ha realizado correctamente. Debido a la gran dispersión de resultados que presenta este ensayo, la determinación de la tenacidad de fractura requiere el disponer de al menos cinco ensayos válidos.




FIGURA 23 PROBETAS UTILIZADAS PARA LA DETERMINACIÓN DE K IC. TRES CURVAS OBTENIDAS EN LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS

Estos ensayos se hacen s/ASTM E-399 ó bien en soldadura según BS-7174-2 para determinar CTOD.

3.2. Ensayo de Fatiga Se sabe desde hace mucho tiempo que las piezas de máquinas, o los elementos estructurales sometidos a esfuerzos que varían cíclicamente, se rompen al cabo de cierto tiempo, de manera brusca y casi sin deformación plástica, bajo tensiones que en ningún momento superan la de rotura del material. Este fenómeno se llama fatiga y las roturas que produce se denominan roturas por fatiga. Su importancia es extraordinaria, toda vez que son muchas las piezas sometidas a solicitaciones cíclicas o aproximadamente cíclicas, como es el caso de numerosos componentes de motores, compresores, bombas, turbinas, ejes de transmisión, palas de hélices, alas de avión, etc. De acuerdo con estimaciones fiables, más del 90% de las roturas en servicio se deben a la fatiga, lo que justifica la atención que el tema recibe en la literatura técnica. 3.2.1. Mecanismo de ro tura por fatiga La rotura por fatiga comienza con la iniciación de una grieta, que aparece en la zona más cargada de la pieza, casi siempre en la superficie, a partir de la cual se propaga a través del material hasta que se produce la fractura. La propagación es, al principio, lenta y tiene lugar por un mecanismo de endurecimiento cíclico y formación de bandas persistentes de deslizamiento. Una vez formada la grieta, esta propaga con más rapidez pero con crecimiento estable. Cuando la parte todavía sana de la sección resulta insuficiente para resistir la última aplicación de la carga, la pieza rompe bruscamente. Las superficies de las piezas rotas por fatiga presentan generalmente dos zonas bien diferenciadas. La primera es el área a través de la cual la fisura se propagó todavía lentamente. Muestra un aspecto brillante debido al pulido que las dos superficies de la grieta han sufrido al rozar una contra otra. En esta zona aparece una serie de curvas concéntricas con el lugar en que se inició la fisura y que se expanden al alejarse de él. La segunda zona es la que rompió bruscamente y presenta un aspecto cristalino que delata una rotura final de carácter frágil, o una apariencia fibrosa en el caso de una rotura dúctil. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Las líneas de playa en la zona de propagación lenta corresponden a ligeros cambios en la orientación de los planos de propagación, en distintas fases de ésta, debidos a modificaciones del régimen de carga. Otra característica de las secciones rotas por fatiga es que algunas partes de ellas aparecen manchadas u oxidadas cuando la grieta ha permanecido un tiempo largo detenida en una posición determinada. Cuando la solicitación de la pieza rota incluye cargas de compresión, algunos de los detalles característicos descritos pueden desaparecer por efecto del martilleo que una cara de la grieta efectúa sobre la otra, lo que da lugar a un pulido de toda la superficie de propagación que uniformiza su aspecto. 3.2.2. Ensayo de fatiga Se ha comprobado que la resistencia que ofrecen los materiales a la rotura por fatiga, es distinta según sea el tipo de solicitación cíclica a que están sometidos, por ejemplo: tracción-compresión, flexión rotatoria, torsión variable, etc. En consecuencia, si se quiere someter los materiales a ensayos que proporcionen una indicación cuantitativa de esa resistencia, sobre bases comparables, tales ensayos deberán aplicar a probetas con iguales sistemas de carga. Además, ese tipo de fractura será favorecido por todas aquellas características geométricas que den lugar a concentraciones locales de tensiones que puedan originar grietas, entre las que se encuentra el acabado superficial que puede producir estrías de mecanizado más o menos pronunciadas. Se ha probado también que el tamaño de las piezas, aún cuando sean geométricamente semejantes, introduce alteraciones en los resultados de las pruebas. En consecuencia, los ensayos de fatiga para que proporcionen indicaciones comparables sobre la respuesta de distintos materiales ante ese fenómeno, deben realizarse utilizando probetas de igual forma y dimensiones, con acabados superficiales lo más perfectos posible, para eliminar el efecto aleatorio de concentradores de tensiones. Estas probetas deben someterse a ciclos de carga bien definidos y fácilmente reproducibles. El ciclo de carga se mantiene generalmente constante durante el ensayo y se caracteriza comúnmente dando las tensiones máxima ( σmax) y mínima (σmin) o bien la tensión media ( σm) y la amplitud (σa) de valores.

σ

m

=

σ

max

+ σ min

σ

a

2

=

σ

max

− σ min 2

Se utilizan también los parámetros siguientes: Intervalo Relación de tensiones

σr = σmax - σmin

R

=

σ

max

σ

min

Cuando las condiciones de carga son tales que la tensión no distribuye uniformemente sobre la sección, los resultados del ensayo se presentan en términos de tensiones nominales netas calculadas, es decir, sin tener en cuenta el efecto concentrador de tensiones debido a discontinuidades geométricas, como orificios, entallas, cambios de sección, etc. 3.2.3. Resistenci a a la fatiga y límit e de fatiga Para expresar el comportamiento de un material bajo solicitaciones de fatiga realizadas en una máquina determinada, se someten diversas muestras a ensayos en que el intervalo de tensiones varía en forma -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



decreciente y se cuenta en cada uno de ellos el número de ciclos N que han de transcurrir hasta la rotura. Cada ensayo se representa por un punto en un diagrama, en el que en ordenadas figura la tensión máxima y en abscisas, en escala logarítmica, el número de ciclos necesarios para la rotura. El conjunto de los ensayos realizados conduce así al trazado de una curva que puede tener una de las formas que se muestran en las Figura 24 que se llama curva S-N tensión (stress) - número de ciclos o curva de Wöhler.

FIGURA 24 CURVAS DE WÖLER. a) CON LÍMITE DE FATIGA . b) SIN LÍMITE DE FATIGA

La resistencia a la fatiga se define como la máxima tensión que el material puede resistir sin romperse antes de un cierto número de ciclos, que es generalmente N = 10 7 ó 108 ciclos. Las curvas S-N se dibujan generalmente a partir de 10 4 ciclos o un número ligeramente menor. La resistencia a la fatiga para menos de 10 4 ciclos constituye un caso especial que comentaremos más adelante. En algunos materiales la curva S-N tiene un aspecto como el que se muestra en la Figura 24a, apreciándose en ella la formación de un codo entre 10 6 y 107 ciclos, a partir del cual sigue una línea horizontal, lo que pone de manifiesto que cuando el material está sometido a una tensión cuyo máximo no excede de la ordenada de esa horizontal, la rotura por fatiga no se produce y la muestra dura indefinidamente. Esa tensión recibe el nombre de límite de fatiga del material. Los materiales que presentan límite de fatiga incluyen a la fundición, aceros de baja y media aleación, aceros inoxidables y algunas aleaciones de titanio. Se piensa, frecuentemente que esta conducta es la normal, sin duda porque los aceros, metales de uso más frecuente, presentan límite de fatiga, pero la mayor parte de los metales carecen de él. El aluminio y el cobre no presentan límite de fatiga, así como tampoco la mayor parte de las aleaciones de estos dos metales. Para dibujar la curva S-N de un material se suele comenzar aplicando un ciclo de carga en que σmax sea del orden de los 2/3 del límite elástico y en pruebas sucesivas se va reduciendo este valor hasta conseguir trazar una curva de la extensión deseada. Procediendo de esta forma se tiene la seguridad de que las muestras van rompiendo hasta alcanzarse la resistencia a la fatiga para el número de ciclos propuesto, o hasta reconocerse la existencia de un límite de fatiga. Si, por el contrario, se comenzase con ensayos a tensiones muy bajas y se fuesen aumentando éstas, las primeras pruebas podrían no romper la muestra, si el material tiene límite de fatiga, o la romperían a un número de ciclos superior al correspondiente a la resistencia a la fatiga que se busca y esos ensayos, que serían los de mayor duración, carecerían de valor.




3.2.4. Concentración de tens iones El fenómeno de la rotura por fatiga es sumamente complejo y depende de numerosas variables, siendo especialmente sensible a las condiciones superficiales, al ser esta la zona donde se genera la grieta, por tanto resulta evidente que la fractura se favorecerá por todas aquellas causas que determinen concentraciones locales de tensiones. Entre ellas, algunas son consecuencia de la geometría de la pieza, condicionada inevitablemente por las funciones que ha de cumplir. Características geométricas insoslayables pueden ser, el cambio de sección de un eje o la presencia de un orificio de lubricación. Sin embargo, un adecuado proyecto puede atenuar el efecto de tales singularidades. Habitualmente, en el diseño de las piezas se utilizan tensiones nominales que son calculadas como si la tensión se distribuyese uniformemente en la sección resistente. Esta distribución sólo se consigue en la parte central de piezas largas sometidas a cargas axiales, como es el caso de las probetas de tracción. En la mayoría de los casos, las tensiones no se distribuyen así, sino que en la proximidad de cambios de sección, entalladuras, orificios, etc., las tensiones son localmente muy superiores a las medias calculadas. Las tensiones máximas en esos puntos se obtienen multiplicando la tensión media calculada por un, K T, tal que: K T

=

σ

max

σ

no min al

KT se determina unas veces analíticamente, otras por otros métodos. Existe bibliografía que contienen los valores de KT para casos muy numerosos de singularidades geométricas que se presentan frecuentemente. 3.2.5. Probetas s ometidas a fatig a Generalmente, aunque el material con que ha de fabricarse una pieza presente límite de fatiga, no puede hacérsele trabajar a una tensión inferior a ese valor, lo que aseguraría la duración indefinida de la pieza, pues ello exigiría una sección resistente demasiado grande y conduciría a un elemento excesivamente pesado. Por tanto, ya posea el material límite de fatiga o no, la pieza trabajará por lo general sometida a una carga variable capaz de producir la rotura al cabo de cierto número de ciclos, que puede conocerse con aproximación si se ensaya el material en el laboratorio y se poseen adecuados términos de referencia. El número de ciclos necesarios para la rotura sería la vida de la pieza. Sin embargo, para asegurarse de que no rompe en servicio, ha de asignársele una vida útil considerablemente más corta. Si la duración prevista del conjunto al que se incorpora la pieza, es más corta que la vida útil de esta última, por razones ajenas a ella, no será necesaria la sustitución. Por el contrario, cuando se prevé que el conjunto ha de durar más que la pieza, se impone su sustitución por otra nueva al término de su vida útil. El diseño de elementos que vayan a trabajar en condiciones de fatiga, se realiza, generalmente, con vistas a conseguir en ellos una vida útil determinada y no se pretende que duren indefinidamente. De lo anterior se deduce que el ensayo de resistencia a la fatiga no tiene unas normas generales aceptadas universalmente, sino que debe estudiarse cada caso particular determinando unas condiciones de ensayo válidas para cada componente. Las probetas que ASTM recomienda para el ensayo de materiales se reflejan en la Figura 25. Estas mismas probetas pueden ser empleadas para el estudio de uniones soldadas a tope y pueden llevar o no incorporada una entalla artificial. La Figura 26 muestra los resultados experimentales de diferentes probetas sometidas a tracción, a la vista de ellos se observa como el límite de fatiga se reduce en función de la geometría y elementos concentradores de tensiones existentes en cada caso.




Por medio de la mecánica de la fractura, se puede estudiar, a través de la ecuación de París: da dn

= f ( ∆k ) la propagación de grietas a fatiga.

FIGURA 25 PROBETAS PARA ENSAYAR A FATIGA RECOMENDADAS POR ASTM -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Nº

FORMA DE LAS PROBETAS

CARACTERÍSTICAS Y LÍMITE DE FATIGA, psi

1

Probeta lisa

40.000

2

Probeta taladrada

31.000

3

Probeta taladrada y remachada

25.000

4

Con un cordón de soldadura en un lado

30.000

5

Con un cordón de soldadura en cada lado

15.000

6

Con un cordón de soldadura en un lado

17.000

7

Con un cordón de soldadura en cada lado

15.500

8

Con un refuerzo soldado en un lado

25.500

9

Con un refuerzo soldado en cada lado

14.000

10

Con una pieza soldada en un lado

13.000 14.000

11

Con una pieza soldada en cada lado

12.500 13.000

- Posición de la fractura FIGURA 26 PROBETAS PARA ENSAYAR A FATIGA EN TRACCIÓN -TRACCIÓN. L OCALIZACIÓN HABITUAL DE LA FRACTURA




3.3. Ensayo de f luenci a en caliente (Creep) 3.3.1. Deformación plásti ca en frío y en caliente Cuando un material se carga a temperatura ambiente por debajo de su carga de rotura, adquiere instantáneamente una deformación, que será solo elástica o en parte plástica, según cual sea el valor de la tensión a que esté sometido, pero en todo caso, la deformación se mantiene invariable mientras no se modifique la tensión y es sólo función de ésta, es decir, no depende del tiempo. En el proyecto de estructuras que han de trabajar a la temperatura ambiente, se utiliza, así una tensión de trabajo, σt, deducida del límite elástico, σE, medido en un ensayo convencional de tracción. Los elementos resistentes adquieren, pues, una deformación elástica cuando se los carga, que no varía si no lo hacen las fuerzas aplicadas, y que desaparecen cuando se eliminan éstas, recuperando la estructura su forma y dimensiones primitivas. A temperaturas superiores a la ambiente, pero relativamente moderadas, (por ejemplo, en los aceros hasta unos 370ºC) las cosas suceden de manera análoga y las deformaciones pueden suponerse independientes del tiempo y dependientes tan solo de las tensiones. Para el proyecto de estructuras o componentes que hayan de trabajar en esa gama de temperaturas, la tensión de trabajo debe deducirse, sin embargo, del límite elástico determinado en un ensayo de tracción realizado con la probeta a la temperatura que se espera vaya a soportar en servicio. A temperaturas más altas el comportamiento del material es ya muy diferente. Un elemento resistente proyectado con arreglo a los principios anteriores y sometido a una tensión inferior al límite elástico, medido a la temperatura de servicio, adquiere instantáneamente, cuando se le carga, una deformación elástica, que será así independiente del tiempo y es función tan solo de la tensión, pero, a medida que el tiempo transcurre, el material continúa deformándose de forma continua, ya plásticamente, bajo tensión constante. Se ve, pues, que la deformación no es función exclusivamente de la tensión, como ocurriría a temperatura ambiente, sino que depende además del tiempo. Este fenómeno de fluencia continua de los metales a alta temperatura bajo tensión constante, se designa como termofluencia o con la denominación inglesa “creep”. Si una probeta de un metal se somete a una carga constante, a temperatura elevada, durante un tiempo suficientemente largo y se expresan las deformaciones en función del tiempo por medio de una curva, ésta es como la de la Figura 27, en la que se aprecian cuatro tramos: el A que corresponde a la deformación elástica inicial que es instantánea y de valor δ0 ; el B en que el material fluye plásticamente a velocidad decreciente; el C en que la velocidad de deformación adquiere un valor constante, que es el mínimo que se registra en el ensayo y el D en que el proceso de fluencia se acelera nuevamente hasta la rotura de la probeta en R. Si, antes de la rotura, por ejemplo en el punto L, se descarga la muestra, se observa una recuperación elástica LM prácticamente igual a la deformación inicial δ0, lo que prueba que el material conserva a altas temperaturas propiedades elásticas. Subsiste, sin embargo, después de la descarga una deformación plástica permanente MN. 3.3.2. Forma de expresar los r esultados de los ensayos

Si a una temperatura dada, se ensayan muestras bajo tensiones distintas σ1 < σ2 < σ3... , se observa que la deformación inicial y la velocidad de deformación, al cabo de un tiempo dado, aumenta con la tensión.




FIGURA 27 EVOLUCIÓN DE LA DEFORMACIÓN FRENTE AL TIEMPO HASTA FRACTURA EN UN ENSAYO DE FLUENCIA EN CALIENTE

Cuando el material ha de prestar servicio a una temperatura conocida, podría pensarse en evitar la fluencia eligiendo una tensión de trabajo suficientemente baja como para que la velocidad de deformación fuese despreciable. Sin embargo, tal cosa no es, en general, posible pues conduce a elementos resistentes de gran sección y, por tanto, excesivamente pesados. Se prefiere pues, calcular la velocidad de deformación máxima tolerable para que, en el período de vida asignado a la pieza, la deformación total adquirida por ella sea compatible con las funciones que ha de realizar, sin que en ese tiempo se produzca la rotura. Calculado ese valor, v c, se ensayan diversas muestras del material a la temperatura de servicio bajo tensiones distintas, con lo que se obtienen unas curvas como las de la Figura 28. Si, ahora, se llevan en un gráfico doblemente logarítmico, tensiones en ordenadas y las velocidades de deformación en el período C como abscisas, prueba la experiencia que se obtienen puntos que están sobre una recta, como las que se representan para diversas temperaturas en la Figura 29. Trazada ésta, puede entrarse en el gráfico con la velocidad de deformación aceptada y se obtendrá la tensión de trabajo tolerable.




FIGURA 28 AUMENTO DE LA DEFORMACIÓN FRENTE AL TIEMPO AL AUMENTAR LA TENSIÓN APLICADA EN UN ENSAYO DE FLUENCIA EN CALIENTE

FIGURA 29 VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN EN FUNCIÓN DE LA TENSIÓN Y LA TEMPERATURA DEL ENSAYO

Si queremos ilustrar el comportamiento del material en un cierto intervalo de temperaturas, se repetirá el ensayo descrito para varias de ellas, obteniéndose una familia de rectas como las de la Figura 29 entre las que se pueden interpolar. Para obtener cada una de estas rectas se realizan, de ordinario, cinco o seis ensayos a la misma temperatura. La resistencia a la fluencia de un material, a una temperatura dada, puede medirse por la tensión que produce una velocidad de fluencia mínima (parte C de la curva) de 0,00001% por hora, es decir, 1% en 100.000 horas .




En ocasiones interesa conocer los tiempos que se requieren a una temperatura dada para que un material fluya hasta la rotura bajo diferentes tensiones. En ese caso los ensayos de fluencia deben proseguirse hasta la rotura de las muestras. Si los datos obtenidos se llevan a un gráfico doblemente logarítmico los puntos correspondientes a cada temperatura resultan prácticamente alineados. Ello permite efectuar los ensayos con tensiones relativamente altas para acortar la duración de las pruebas y extrapolar las rectas obtenidas hasta tensiones más bajas. La Figura 30 proporciona una serie de rectas que resumen los ensayos de rotura por fluencia a varias temperaturas de un acero inoxidable austenítico 316.

FIGURA 30 TIEMPO DE ROTURA EN FUNCIÓN DE LA TENSIÓN Y LA TEMPERATURA DEL ENSAYO

3.3.3. Las máquinas de ensayo Los laboratorios de los grandes centros de investigación de algunas empresas metalúrgicas disponen del equipo necesario para estudiar el comportamiento de los materiales a alta temperatura (a) bajo carga constante o (b) bajo tensión constante. El ensayo en estas últimas condiciones es considerablemente más complicado pues obliga a controlar la variación de la sección mínima de la barreta y modificar adecuadamente la carga para mantener invariable la tensión. El ensayo bajo carga constante se efectúa en una máquina como la de la Figura 31, en la que la fuerza de tracción se aplica, mediante un peso y un sistema de palancas, a una probeta confinada en un horno eléctrico de resistencias, dotado de un sistema de control de temperatura que garantice el mantenimiento de ésta a lo largo de toda la prueba, que puede durar de 1000 a varias decenas de miles de horas, dentro de un intervalo con una amplitud de 0,5ºC. Periódicamente se mide la deformación de la probeta a través de un orificio practicado en la pared del horno y por medio de un microscopio que permite medir el desplazamiento relativo experimentado por dos trazos marcados sobre placas de platino soldadas a unas piezas que se fijan a los extremos de la probeta, como se indica esquemáticamente en la Figura 31.




FIGURA 31 ESQUEMA DE MÁQUINA DE ENSAYO DE FLUENCIA . ESQUEMA DEL SISTEMA DE MEDIDA DURANTE EL ENSAYO

El equipo de control de temperaturas y el de medición de deformaciones es muy costoso, pero lo que requiere una gran inversión en los laboratorios, es la necesidad de dotarles de un gran número de máquinas y equipos para poder realizar varias pruebas simultáneamente, toda vez que la gran duración de las mismas excluye la posibilidad de llevarlas a cabo sucesivamente.

4.- ENSAYOS MECÁNICOS DE UNIONES SOLDADAS Antes de pasar a describir los ensayos hay que decir, y tener siempre en cuenta, la heterogeneidad metalúrgica y química presente en toda unión soldada ya descrita en otros capítulos: zona fundida, zona afectada térmicamente y metal base. Además, cada una de estas zonas es asimismo heterogénea en propiedades. Cualquier ensayo, por lo tanto, nos va a dar unos resultados de una cierta zona de la unión, o bien un valor medio del total o parte de la soldadura. Los resultados que se obtengan deberán ser interpretados teniendo siempre en cuenta estas circunstancias. Otro factor a considerar a la hora de seleccionar un tipo de ensayo es el coste del mismo y el tiempo preciso para efectuarlo. Por ejemplo: es sabido que los ensayos de tracción y de dureza nos dan una indicación de la resistencia. El ensayo de dureza es más sencillo de llevar a cabo y más barato, pero no es adecuado si lo que queremos determinar es la resistencia real de una determinada soldadura, siendo, por otro lado, perfectamente satisfactorio para conocer si un determinado tratamiento térmico ha sido efectuado en las condiciones establecidas. Cada ensayo tiene sus propios límites de aplicabilidad, que habrá que conocer para que los resultados obtenidos sean realmente representativos de la característica que se intenta evaluar.




Los ensayos de tracción, dureza y doblado son los que, con mayor frecuencia se emplean para determinar la resistencia a la rotura y la ductilidad de un material. Por el soldeo se modifica la estructura metalúrgica, siendo importante conocer el efecto de estos cambios sobre las propiedades mecánicas. Por ello, estos ensayos pueden indicarnos las características más importantes de una unión soldada, empleándose también para cualificar los procedimientos de soldeo y los soldadores según es requerido por la mayoría de los códigos.

4.1. Ensayos de tracción El ensayo de tracción se encuentra regulado en dos normas: •

UNE EN 876: 1996 –Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicos. Ensayos de tracción longitudinal sobre el metal de aportación en uniones soldadas por fusión.

•

UNE EN 895: 1996 - Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicos. Ensayos de tracción transversal.

4.1.1. Unión soldada a tope a) Ensayo del metal d e aport ación Las probetas, en este ensayo, se obtienen generalmente paralelas al eje de la soldadura y se mecanizan de tal forma que el total de la probeta procede del material aportado durante el soldeo, ver Figura 32. Para efectuar correctamente este ensayo, hay que tener en cuenta el factor dilución durante el soldeo, intentando disminuir al mínimo la influencia del metal base. Esto puede conseguirse con un recargue intermedio de los bordes a soldar, aunque en el caso de querer tener los datos reales sobre una soldadura determinada, no hay otra solución que efectuar el soldeo en idénticas condiciones a como se va a ejecutar durante la fabricación y estimar, en estas condiciones, el porcentaje de dilución en función de las características del proceso empleado. b) Ensayo de sol dadura a tope en posi ción transversal Las probetas para este ensayo están indicadas en la Figura 32. En ellas interviene tanto el metal de aportación, como la zona afectada térmicamente y el metal base. Cuando se procede a la rotura de estas probetas, puede ocurrir que rompa por el metal base, lo cual nos dice que la resistencia de la soldadura está por encima de la carga de rotura del metal base, pero no nos dice nada acerca de la ductilidad de la unión soldada. Si la probeta rompe por la soldadura, significa que la mayoría de las deformaciones totales se han producido en esta zona. Como estas roturas dan resultados bajos de alargamiento sobre el total de la probeta, tampoco obtenemos un resultado que nos refleje la ductilidad de la unión soldada. Por el mismo motivo tampoco se obtiene, en este caso, un valor comparable y fiable del límite elástico, debido a que este valor está definido en función de la deformación uniforme que ocurre a lo largo de todo el material que se ensaya. Por ello, este tipo de ensayo es solamente válido para conocer la resistencia a la tracción de la soldadura y valorar su “rendimiento” en términos de resistencia únicamente. En este sentido, diferentes códigos los exigen para las cualificaciones de los procedimientos de soldeo, indicando que sólo se reflejen los valores de carga de rotura obtenidos y la zona en que la rotura se produce.







FIGURA 32 PROBETAS PARA ENSAYAR UNIONES SOLDADAS

c) Ensayos de soldadura a tope en sentido longi tudinal. En la Figura 32 también está representada la probeta para este tipo de ensayo. La carga se aplica paralelamente al eje de la soldadura y, en este caso, la probeta también está compuesta por metal base, zona afectada térmicamente y metal de aportación. El ideal sería que estas tres zonas se deformasen uniforme y simultáneamente, pero la heterogeneidad presente en toda la unión soldada hace que este ideal sea alcanzado sólo en contadas ocasiones. Posibles defectos en la soldadura, o baja ductilidad de la zona afectada térmicamente, pueden causar la iniciación de la rotura bajo cargas considerablemente más bajas que las previstas para el material base. El ensayo de tracción se encuentra regulado en dos Normas: •

UNE-EN 876:1996 “Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicos. Ensayos de tracción longitudinal sobre el metal de aportación en uniones soldadas por fusión”.

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UNE-EN 895:1996 “Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicas. Ensayos de tracción transversal”.




4.1.2. Unión soldada a solape En este tipo de uniones, lo que se pretende conocer es la resistencia de la soldadura al cizallamiento o cortadura de una determinada unión. Por ello, las probetas suelen prepararse de tal forma que sean representativas de la unión a ensayar, siguiendo procedimiento similares a los que vayan a ser aplicados durante su fabricación. Generalmente se emplean dos tipos básicos de probetas: longitudinales y transversales, tal como se representan en la Figura 33. Las probetas para determinar la resistencia al esfuerzo cortante transversal pueden efectuarse con un solape doble, para intentar conseguir un estado de carga lo más simétrico y parecido posible al estado de cortadura puro. Los valores que se obtienen suelen expresarse N/m 2 referidos a la garganta del cordón ensayado. La resistencia al esfuerzo cortante longitudinal suele expresarse en N/m lineal de soldadura.

FIGURA 33 PROBETAS PARA ENSAYAR UNIONES A SOLAPE




Estas probetas son bastantes sensibles a los procedimientos empleados durante su elaboración. Las separaciones entre las piezas solapadas pueden ocasionar concentraciones de tensiones en la raíz de las soldaduras y producir, por lo tanto, resultados no homogéneos ni comparables. Por supuesto que cualquier defecto de soldadura influye notablemente sobre los resultados, siendo aconsejable mecanizar los bordes para eliminar los cráteres y evitar entallas.

4.2. Ensayos de dur eza Las características de dureza de una soldadura pueden utilizarse independientemente o bien como complemento de los ensayos de tracción y plegado. Los resultados de los ensayos de dureza nos facilitan información sobre las modificaciones metalúrgicas debidas al fenómeno del soldeo. Por ejemplo, si el enfriamiento a que se somete una soldadura, de aceros empleados normalmente en construcción, es muy rápido, pueden formarse estructuras de temple duras. Por lo que investigando sobre la dureza obtenida en el metal de aportación y zonas afectadas térmicamente, podremos conocer si obtenemos las condiciones de ductilidad precisas. Por otro lado, las soldaduras de materiales trabajados en frío o endurecidos por envejecimiento, pueden dar valores de dureza, en las zonas afectadas térmicamente, sensiblemente inferiores a los materiales base. Esto nos indica que los datos obtenidos de estos ensayos están afectados por las variables de soldeo tales como: proceso empleado, estado de los materiales base, aporte térmico, precalentamiento, temperatura entre pasadas, composición del material de aportación y espesor de la unión. Por ello, los valores de dureza nos pueden informar de cómo han sido utilizadas estas variables. Los ensayos de dureza suelen efectuarse sobre superficies esmeriladas o pulidas y, a veces, atacadas químicamente para mejor definición de las distintas zonas de la soldadura. Pueden llevarse a cabo sobre la superficie de la soldadura, longitudinal y transversal a la misma, o sobre secciones de la misma, ver Figura 34.

FIGURA 34 L INEAS DE DUREZA REALIZADAS SOBRE LA SECCIÓN DE UNA SOLDADURA

El tipo de ensayo a efectuar depende, principalmente, de la dureza o resistencia del material, del tamaño de la soldadura y del tipo de información que se busca. El ensayo Brinell produce una huella amplia, por lo que es aplicable en uniones de tamaño grande y fuertes espesores. El ensayo Rockwell produce huellas mucho menores, indicadas para mediciones próximas entre sí. Las huellas Vickers son relativamente -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



pequeñas y adecuadas para que puedan aplicarse a la toma de medidas en diferentes regiones de una zona térmicamente afectada y a distancias muy próximas entre sí. En muchas ocasiones se ha pretendido relacionar los valores de dureza con la resistencia a la tracción y, de hecho, se han publicado muchas tablas en este sentido. Dichas tablas son indudablemente útiles siempre que se tenga presente que la información que presentan es aproximada. Es frecuente que la carga de rotura real sea superior a la que estas tablas nos indican como correspondiente a la dureza obtenida en ciertas zonas afectadas térmicamente, sencillamente porque estas zonas fueron mecánicamente rigidizadas por otras adyacentes más resistentes durante el ensayo. Se recomienda utilizar las tablas de la Norma ASTM E-140, como equivalencias entre escalas. También se han utilizado los valores de dureza como representativos del comportamiento en servicio de los conjuntos soldados y, en muchos casos, se han especificado valores máximos en distintas zonas de las soldaduras. Este es un hecho que tiene su mayor importancia cuando existe el riesgo de la presencia de hidrógeno. Existen casos de rotura que se han atribuido a la negativa combinación de elevadas durezas y altos contenidos de hidrógeno. Se puede decir, como resumen, que los ensayos de dureza son de gran utilidad para conocer con bastante aproximación las características de ductilidad y resistencia de la unión. Es además un ensayo muy versátil y generalmente de bajo coste. Debe efectuarse en condiciones normalizadas y, si es necesario, complementarlo con otros para que, entre ambos, nos aproximen más a la realidad.

4.3. Ensayos de doblado Existen diferentes tipos de ensayos de doblado que se emplean para evaluar la ductilidad y detectar la posible presencia de defectos en las uniones soldadas. Las probetas pueden ser longitudinales o transversales al eje de la soldadura y son sometidas al doblado mediante utillajes que las permitan libertad de movimientos, doblado libre, o que limiten la deformación en si este es dirigido o guiado, ver Figura 35. En Europa, este ensayo se encuentra recogido en la norma: •

UNE-EN 910:1996 “Ensayos destructivos de soldaduras en materiales metálicos. Ensayos de doblado”.




FIGURA 35 ENSAYOS DE DOBLADO LIBRE Y GUIADO DE UNIONES SOLDADAS




En función de las superficies expuestas al máximo alargamiento, este ensayo en soldadura recibe el nombre de doblado de cara, de raíz y lateral. La Figura 36 ilustra estos tipos de ensayos.

FIGURA 36 ENSAYOS DE DOBLADO DE CARA , DE RAÍZ Y LATERAL

Los resultados del ensayo de doblado suelen expresarse de diferentes formas: % de alargamiento de las fibras exteriores más estiradas, radio de plegado mínimo antes de que se produzca el fallo. De los anteriores, se considera al alargamiento como el más representativo y reproducible calculándose mediante la fórmula: e=

t

2R + t

x 100

donde: e = % de alargamiento; t = espesor inicial del material y R = radio de curvatura de la superficie interior. En materiales relativamente delgados, menores de 5 mm, la forma más adecuada de aplicar este ensayo, para conocer su ductilidad, es sometiéndolos a sucesivos doblados con radios de curvatura cada vez menores. El radio empleado, anterior al que se empleó cuando se produjo la rotura, se le conoce como radio de doblado del material para el espesor ensayado. Los ensayos con probetas transversales son normalmente empleados para calificar operarios, debido a que, de esta forma, se suelen hacer patentes posibles defectos de ejecución que no son revelados mediante el ensayo de tracción. No hay que olvidar que, al igual que las probetas de tracción transversales al eje de soldadura, la forma de doblar puede ser distinta, en función de las distintas propiedades a la flexión que tienen las diferentes partes que componen la probeta. Cuando las propiedades entre las distintas zonas de una soldadura difieren considerablemente, o se sueldan distintos materiales entre sí, es conveniente -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



utilizar una probeta de doblado longitudinal, es decir con su eje en la misma dirección que el de soldadura. En este caso el eje de doblado es perpendicular al de la soldadura y tanto el material base, como la zona térmicamente afectada y el metal de aportación, sufren el mismo esfuerzo de doblado.

4.4. Ensayo de fractu ra Este ensayo aparece recogido en la Norma EN 13020:1997 “Ensayos destructivos de soldaduras de materiales metálicas. Ensayo de rotura”. En la Figura 37 se muestra el ensayo que se utiliza para conocer la calidad del cordón depositado en ángulo. Los metales base, de aportación y el procedimiento empleado de soldeo, deben ser los mismos que se empleen posteriormente en la estructura o equipo en estudio. Este ensayo es empleado también para cualificar operarios. Se aplica una fuerza A, tal como indica la figura, hasta conseguir la rotura, examinándose a continuación las superficies de rotura y evaluando su estado de tenacidad o fragilidad.

FIGURA 37 ENSAYOS DE DOBLADO DE CARA , DE RAÍZ Y LATERAL

4.5. Ensayos d e rotur a bajo carga cons tante Bajo esta denominación se llevan a cabo ensayos conducentes a determinar la susceptibilidad, de ciertos materiales, a la fragilidad por hidrógeno y al cálculo del hidrógeno asociado en el agrietamiento de las soldaduras. Dichos ensayos utilizan probetas de tracción en las que se ha practicado una cierta entalla y a las que, artificialmente, se aporta hidrógeno. Las probetas se someten a una carga constante y se mide el tiempo que tardan en romper. Los valores obtenidos por este sistema de ensayos, se distribuyen, -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



generalmente, tal como indica la Figura 38. De este gráfico se deduce que, por debajo de un determinado valor de la carga aplicada, no se produce la rotura, conociéndose este nivel de esfuerzos como “esfuerzo crítico inferior”. Las comparaciones entre diferentes materiales, mediante este ensayo, se efectúan sobre la base del número de veces que ocurre la rotura a una carga determinada y sobre la magnitud resultante del esfuerzo crítico inferior.

FIGURA 38 V ALORES OBTENIDOS EN ENSAYOS DE CARGA C ONSTANTE

4.6. Otros ensayos Vamos ahora a exponer algún otro ensayo cuya aplicación es menor que los anteriormente expuestos, pero que también son aptos para determinar ciertas características que interesa conocer de las uniones soldadas. Muchos de estos ensayos han surgido en centros de investigación o de trabajo, su ejecución no está aún normalizada ni son generalmente exigidos por los códigos o especificaciones de fabricación. 4.6.1. Ensayo Lehi gh Es un ensayo para evaluar la resistencia al desgarre laminar. Los resultados de este ensayo son reproducibles y proporcionan unos valores cuantitativos de la susceptibilidad de los aceros al desgarre. El ensayo está representado en la Figura 39, pudiendo someterse a ensayo chapas de diferentes espesores y ajustar las cargas aplicadas para determinar la susceptibilidad dentro de estrechos límites.




FIGURA 39 DISPOSICIÓN DE LAS CHAPAS PARA EL ENSAYO LEHIGH

Mientras se aplica la carga, un dispositivo de medición de esfuerzos permite conocer los que se producen a través del espesor de la chapa en ensayo, el esfuerzo al cual se reproduce el desgarre se denomina “Nivel de sujeción crítico de la soldadura” que se mide en MPa. Las cargas externas pueden aplicarse en cualquier momento durante el soldeo y ser mantenidas por períodos establecidos, lo que hace que este ensayo sea de mayor versatilidad. Después de realizar diferentes series de ensayos, la Universidad de Lehigh llegó a las siguientes conclusiones: -

La susceptibilidad al desgarre varía con las coladas ensayadas, es decir: la historia de la fabricación influye sobre este fenómeno.

-

Las coladas ensayadas que mejores resultados dieron fueron las calmadas con aluminio, seguidas por las semicalmadas y calmadas mediante silicio.

-

Los desgarres se producían siempre a menos de 1 cm. del metal fundido.

-

Los efectos del precalentamiento y aporte térmico no eran muy significativos.

-

Al aumentar los contenidos de oxígeno e hidrógeno, se reduce de forma apreciable la resistencia al desgarre.



ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA SOL DADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN -

Las inclusiones de silicatos son las más peligrosas, seguidas por las de sulfatos.

4.6.2. Ensayo de adherencia de los depósitos metálicos El ensayo que a continuación se describe es el recomendado por el IIS en su documento 443-73. Mediante este ensayo se determina la adherencia de los revestimientos metálicos proyectados en caliente sobre un metal base, cuando se someten a una carga de tracción perpendicular a la cara de adhesión. Tiene por finalidad evaluar el efecto del metal de base, del metal proyectado, de la preparación de la superficie de la pieza y de las condiciones de proyección sobre la adherencia de las capas metálicas, y por otro lado controlar las operaciones operaciones de metalización. La adherencia se determina a partir de la resistencia de adhesión σH que se obtiene dividiendo la carga máxima Pmax, alcanzada en el ensayo de tracción, por la sección transversal de la probeta en la cara de adherencia. La probeta (ver Figura 40) está constituida por una parte cilíndrica (A), la extremidad de la cual ha recibido el recubrimiento metálico, y de una cabeza de tracción (B) que le une a aquella mediante un adhesivo con el fin de poder aplicar una carga de tracción sobre el recubrimiento. La cara plana de la parte de la probeta de ensayo, constituida por un metal base especificado, se prepara para recibir la capa de proyección, a continuación se proyecta el metal de aportación para obtener un depósito mínimo de 0,6 mm. Las superficies metalizadas se nivelan antes de la unión. Durante esta operación es importante no producir tensiones térmicas o mecánicas y asegurarse de que la superficie acabada es perpendicular al eje de la probeta de ensayo y de que la capa proyectada, en su estado final, tiene un espesor de al menos 0,5 mm. Después de que la capa proyectada se ha nivelado, se une al depósito la cabeza de tracción B, de tal forma que se obtenga un esfuerzo de tracción perpendicular a la superficie de adherencia.




FIGURA 40 PROBETAS PARA ENSAYAR LA RESISTENCIA A LA ADHERENCIA DE CAPAS METÁLICAS




5. ENSAYOS ENSAYOS DE SOLDABILIDAD SOLDABIL IDAD Se define soldabilidad como la aptitud de un metal para ser unido por soldadura. La amplitud de propiedades propiedades que esto supone, hace que no exista un determinado ensayo con el que s e pueda evaluar esta característica, dada la diversidad de variables que influyen en una unión soldada, tales como: composición química, microestructura, naturaleza de los óxidos, dimensiones, rigidez, posicionado, acabado superficial, condiciones de servicio, etc. A pesar de lo anterior, se efectúan una serie de ensayos que proporcionan proporcionan datos útiles, los cuales permiten conocer con cierto grado de confianza valores a considerar durante la ejecución de las soldaduras, tales como: proceso adecuado, precalentamiento, aporte térmico, diseño de la unión, etc. De acuerdo con la American Welding Society, vamos a tratar de estos ensayos diferenciándolos diferenciándolos en tres grupos: ensayos teóricos, simulados y ensayos sobre soldaduras.

5.1. Ensayos teóricos Estos ensayos predicen el comportamiento de los materiales utilizando valores que se obtienen de la composición química del material a soldar o mediante la realización de ensayos sencillos que analizan el comportamiento del material frente a tratamientos térmicos de temple. Su principal objetivo es identificar el peligro de aparición de microestructuras frágiles de naturaleza martensítica. Para predecir la dureza de la zona afectada térmicamente a partir de la composición del metal base, se pueden emplear fórmulas del carbono equivalente junto con la ecuación del flujo térmico aplicable a una determinada soldadura. Los resultados de este ensayo son que si los valores de dureza, de la zona afectada térmicamente, son inferiores a 300 Vickers, el agrietamiento en frío o por la acción del hidrógeno no va a suponer problema alguno, mientras que si la dureza supera los 400 Vickers, existe dicho riesgo de agrietamiento. En otros ensayos se puede predecir la velocidad de enfriamiento de la zona afectada térmicamente a partir de tablas experimentales que relacionan la velocidad de enfriamiento con el aporte térmico, precalentamiento precalentamiento y espesores de los materiales soldados. El ensayo se efectúa sobre una serie de probetas de doblado entalladas que se someten a una austenitización a 1150ºC. Posteriormente se enfrían de forma tal que se consigan unos valores de dureza iguales a los que se esperan en las zonas afectadas térmicamente. Si estas probetas pueden soportar un doblado entre 10 y 20 grados se las considera suficientemente dúctiles para la mayoría de las aplicaciones.

5.2. 5.2. Ensayos Ensayos simul ados Para reproducir el efecto del calor durante el soldeo, y por lo tanto realizar un ensayo simulado de soldabilidad, se emplean dos sistemas: a) Calentar y enfriar una probeta a lo largo de un ciclo térmico exacto al que se producirá en una determinada soldadura; y b) además de someter las probetas al ciclo térmico anterior aplicar una carga controlada en diferentes momentos del ciclo térmico. Estos ensayos facilitan una valiosa información sobre las propiedades mecánicas de diferentes áreas dentro de las zonas afectadas térmicamente, tanto durante el soldeo como una vez finalizado el mismo. Lo que no consideran son las tensiones residuales, captación de hidrógeno y otras condiciones que pueden originarse en soldadura.

5.3. 5.3. Ensayos Ensayos sobre s oldaduras Existen una amplia gama de ensayos que se efectúan sobre soldaduras con el fin de predecir tanto la soldabilidad de un material como la compatibilidad entre materiales, aportes y procesos utilizados que -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



conduzcan a uniones soldadas satisfactorias. Estos hace que los ensayos de soldabilidad se dividan en dos grandes grupos: Los conducentes a determinar la soldabilidad del conjunto y los conducentes a medir la soldabilidad en servicio, en otras palabras: del primer grupo de ensayos sabremos cuando un determinado material y proceso pueden ser utilizados para obtener una unión libre de defectos, del segundo grupo obtendremos resultados que nos dirán si la unión es apta para el servicio que ha sido diseñada. En este apartado vamos a centrarnos en el primer grupo, es decir, aquellos donde se pretende determinar la compatibilidad metalúrgica entre el metal y el proceso a utilizar. 5.3.1. Ensayos de agrietabili dad en cali ente a) Ensayo MUREX

FIGURA 41 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO MUREX

Se efectúa sobre dos chapas, ver Figura 41, que se sueldan mientras están montadas en un utillaje que permite el girar una respecto a otra con diferentes velocidades. La susceptibilidad al agrietamiento en caliente se mide en función del agrietamiento que experimente el metal aportado sometido a diferentes estados de tensión mientras solidifica. b) Ensayo VARESTRAINT Utiliza la aplicación de una carga externa, para originar una deformación plástica en el material a ensayar, mientras se deposita el material de aportación según el eje de la probeta. Efectuando doblados con diferentes radios, ver Figura 42, puede determinarse la magnitud de la deformación que da lugar a la aparición de grietas.




FIGURA 42 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO VARESTRAINT

c) Ensayo TIGAMAJIG

FIGURA 43 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO TIGAMAJIC -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



Está representado esquemáticamente en la Figura 43 y, al igual que el ensayo anterior, se somete la superficie sobre la que se deposita la soldadura, en este caso mediante el proceso TIG, a una deformación igual a T/2R, donde T es el espesor de la probeta y R el radio del bloque sobre el que se efectúa la curvatura. Pueden utilizarse bloques con diferentes radios y producirse la flexión cuando el baño de fusión esté parcialmente solidificado, completamente solidificado o solidificado y parcialmente enfriado. d) Ensayo en T Se efectúa sobre una configuración en T muy rigidizada para determinar el agrietamiento en caliente de las uniones en ángulo. El segundo cordón se deposita inmediatamente después del primero, por el lado contrario de tal forma que las tensiones de rotación producidas por la contracción del primer cordón se sumen a las generadas por el segundo cordón mientras está siendo depositado, ver Figura 44.

FIGURA 44 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO EN T




5.3.2. Ensayos de agrietabili dad en l a raíz a) Ensayo L EHIGH

FIGURA 45 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO LEHIGH DE AGRIETABILIDAD DE LA RAIZ

Este ensayo nos proporciona datos para controlar la capacidad para soportar esfuerzos de rigidización sobre la raíz de un cordón depositado en una soldadura a tope, ver Figura 45. Ensayando diferentes series de chapas en las que la rigidización sea modificada, podemos deducir la sujeción o embridamiento crítico que da lugar a la aparición de grietas, en función de unas determinadas condiciones de soldeo. b) Ensayo del parche circular Se efectúa sobre una chapa a la que se ha practicado un agujero para situar en él un parche o pieza que nos origina una soldadura circunferencial, ver Figura 46. Mientras el metal se deposita, la configuración circular actúa aumentando las tensiones sobre el metal de soldadura debido a su propia contracción térmica. La rigidez del conjunto puede modificarse variando el espesor a soldar, el tamaño de la chapa y el diámetro del parche.




FIGURA 46 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO DEL PARCHE CIRCULAR

5.3.3. Ensayos de agrietabilidad por hidrógeno El ensayo de Lehigh descrito anteriormente puede ser utilizado también para determinar la susceptibilidad al agrietamiento por hidrógeno, así como al agrietamiento que pueda producirse una vez terminada la soldadura. a) Ensayo mediante implantes Fue ideado por H.P. Grandjon con el propósito de poder evaluar la susceptibilidad al agrietamiento después del soldeo debido a la presencia de hidrógeno. Los insertos, o implantes, son colocados en taladrados practicados en las chapas a ensayar, ver Figura 47. El nivel de esfuerzos de los implantes puede variarse independientemente a través de todas las posibles estructuras de la zona afectada térmicamente. También es posible controlar el hidrógeno aportado modificando la atmósfera protectora de la soldadura. Los implantes llevan practicada una entalla que se hace situar en la zona afectada térmicamente. Para asegurarse de que esto ocurre así, J.M. Sawhill introdujo el practicar la entalla de forma helicoidal, según se ve en la Figura 47. El ensayo se efectúa cargando estáticamente las probetas con unos esfuerzos por debajo del de tracción de la entalla, bien al terminar la soldadura o cuando ya se ha enfriado. Si las tensiones son superiores a las del nivel crítico la probeta romperá. Según aumentan las tensiones se acorta el tiempo de incubación de la grieta que provoca la rotura, por lo que los esfuerzos críticos y el tiempo que transcurre hasta que el fallo se produce nos dan una indicación relativa de la susceptibilidad a una posterior rotura. Actualmente, el ensayo mediante implantes no se utiliza, si bien se hace constar aquí ya que fue muy importante al ser la base de todos los estudios de precalentamiento para evitar el hidrógeno en los aportes.




FIGURA 47 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO MEDIANTE IMPLANTES

b) Ensayo de severidad térmica controlada El dispositivo utilizado, ver Figura 48, consiste en una chapa sujeta mediante un perno y soldada por dos lados a otra con la finalidad de poder depositar posteriormente dos cordones a solape o en ángulo. El cordón que se deposita en los extremos de ambas chapas tiene dos caminos por los que se disipe el calor, mientras que el que se deposita en el centro de la chapa inferior dispone de tres caminos originando un enfriamiento más rápido. Como el hidrógeno presente en las soldaduras depende del tiempo en que se produce el enfriamiento, variando el espesor de las chapas se consiguen diferentes velocidades de solidificación y enfriamiento, pudiendo llegar a conocerse la velocidad a la cual el contenido de hidrógeno produce agrietamientos. c) Ensayo de agrietamiento en cruz Se efectúa con tres chapas las cuales han sido previamente niveladas por las superficies en contacto para asegurar un acoplamiento uniforme, estas chapas se puntean por los extremos para formar una unión en doble T, ver Figura 49. A continuación se depositan cuatro cordones en ángulo en el orden representado, -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



permitiendo un enfriamiento completo de cada cordón antes de depositar el siguiente. La agrietabilidad se detecta practicando secciones transversales y estudiando las mismas, el tercer cordón depositado suele ser el más propenso a agrietarse. Para que este ensayo sea reproducible debe ponerse especial atención en la preparación de las superficiales en contacto y en el acoplamiento entre ellas.

FIGURA 48 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE SEVERIDAD TÉRMICA

FIGURA 49 ESQUEMA DE REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE AGRIETAMIENTO EN CRUZ -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-



BIBLIOGRAFÍA Los documentos básicos para la realización e interpretación de los ensayos mecánicos son las normas que describen como llevarlos a cabo y registrar los resultados que se obtengan. Relacionar todas las normas internacionales que los regulan sería prácticamente interminable. Por ello, a continuación sólo se indica una selección de las normas nacionales existentes sobre ensayos mecánicos de materiales. Estas normas se pueden obtener directamente de AENOR ( www.aenor.es). UNE-EN 10002-1:2002

Materiales metálicos. Ensayos de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente.

UNE 7474-5:1992

Materiales metálicos. Ensayo de tracción. Parte 5: método de ensayo a temperatura elevada

UNE-EN 895:1996

Ensayos destructivos de uniones soldadas en materiales metálicos. Ensayo de tracción transversal.

UNE-EN 12814-2:2001

Ensayo de uniones soldadas en productos termoplásticos semiacabados. Parte 2: Ensayo de tracción.

UNE-EN ISO 14272:2002

Dimensiones de las probetas y procedimiento de ensayo de tracción en probetas en cruz de soldeo por resistencia por puntos y por protuberancias. (ISO 14272:2000)

UNE-EN 582:1994

Proyección térmica. Medida de la adherencia por ensayo de tracción. (Versión oficial EN 582:1993).

UNE 14619:1991

Ejecución de un depósito de metal aportado por soldeo para la determinación de la dureza.

UNE-EN ISO 6506-1:2000

Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 1: Método de ensayo. (ISO 6506-1:1999).

UNE-EN ISO 6507-1:1998

Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: Métodos de ensayo. (ISO 6507-1:1997).

UNE-EN ISO 14271:2002

Ensayo de dureza Vickers en soldaduras por puntos por resistencia, por protuberancias y por costuras (carga reducida y microdureza). (ISO 14271:2000)

UNE-EN ISO 6508-1:2000

Materiales metálicos. Ensayo de dureza Rockwell. Parte 1: Método de ensayo (escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) (ISO 6508-1:1999).

UNE 7475-1:1992

Materiales metálicos. Ensayo de flexión por choque sobre probeta Charpy. Parte 1: método de ensayo.

UNE-EN 910:1996

Ensayos destructivos de soldaduras en materiales metálicos. Ensayos de doblado.



2 ENSAYOS MECANICOS Y SU APLICACION A LA CARACTERIZACION DE UNIONES SOLDADAS.pdf

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