Procesado y puesta en servicio de materiales

Segundo Barroso Herrero Manuel Carsí Cebrián

PROCESADO Y PUESTA EN SERVICIO DE MATERIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

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ISBNELECTRÆNICO: 978-84-362--

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ÍNDICE

PRÓLOGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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TEMA 1:

15 15 17

PROCESOS DE CONFORMADO . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Consideraciones sobre el conformado . . . . . . . . . . 1.2.1. Influencia de la temperatura sobre el conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Variaciones estructurales en el conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Velocidad de deformación generalizada en el conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4. Otros aspectos que afectan al conformado . 1.3. Conformado de productos no planos . . . . . . . . . . . 1.3.1. Forja libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Forja cerrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Laminado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Laminación controlada . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Embutición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Trefilado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Plegado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9. Conformado de materiales metálicos en estado semisólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.2. Consideraciones generales . . . . . . . . . . . . . . 1.9.3. Desarrollo del proceso de conformado en estado semisólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.3.1. Colada magneto-hidrodinámica (MHD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9.3.2. Control del proceso de colada . . . . 1.9.3.3. Proceso de deformación . . . . . . . . . 1.9.4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 20 24 27 30 31 34 37 43 45 47 49 51 51 51 53 55 56 57 58 61

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1.9.5. Consideraciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10. Conformado por moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10.1. Tipos de conformado por moldeo . . . . . . 1.10.2. Parámetros del conformado por moldeo. 1.11. Simulaciones del conformado . . . . . . . . . . . . . . .

66 67 68 76 79

TEMA 2:

SINTERIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. El conformado pulvimetalúrgico . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Fundamentos teóricos del sinterizado . . . . . . . . . . 2.3.1. Estado inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Estado intermedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Etapa final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Compactación previa en el sinterizado . . . . . . . . . 2.4.1. La pieza en verde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Sinterizado de polvos mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Sinterización forzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Sinterizado con fase líquida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1. Densificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Operaciones prácticas y sus efectos . . . . . . . . . . . . 2.9. Técnicas de conformado en caliente . . . . . . . . . . . 2.9.1. Compactación isostática . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.2. Compactación pseudoisostática . . . . . . . . . 2.10. Spray forming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Plasma spray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89 89 90 91 95 96 97 98 99 101 101 102 104 104 105 105 106 107 108 109

TEMA 3:

TÉCNICAS DE UNIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Clasificación de las uniones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Técnicas de unión mediante dispositivos o accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Unión mediante adhesivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Ensamblaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Aspectos metalúrgicos de la soldadura . . . . 3.6.2.1. Mecanismos de continuidad . . . . . . 3.6.2.2. Energía de activación de la intercara. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.3. Efectos de los transitorios térmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

113 113 114 115 124 127 129 131 133 134 135 136

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ÍNDICE

TEMA 4:

COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES EN SERVICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Fallos en servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Análisis de fallos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Clasificación de fallos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Mecanismos de fractura . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Tipos de corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Prevención de la corrosión . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4. Fractura por corrosión bajo tensiones . . . . 4.3.4.1. Susceptibilidad del material . . . . . . 4.3.4.2. Estado de tensiones . . . . . . . . . . . . 4.3.4.3. Influencia del medio ambiente . . . . 4.3.4.4. Mecanismos de fractura . . . . . . . . . 4.3.4.5. Soluciones posibles . . . . . . . . . . . . . 4.4. Fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Factores que afectan a la fatiga . . . . . . . . . . 4.4.3. Tipos de fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3.1. Inicio de grietas . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3.2. Propagación de grietas . . . . . . . . . . 4.4.4. Influencia del medio ambiente en la fatiga . 4.4.4.1. Influencia ambiental sobre la resistencia total . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4.2. Influencia ambiental sobre la propagación de grietas . . . . . . . . 4.4.5. Interacción fatiga-corrosión . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. Fatiga térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6.1. Problemas derivados de la fatiga térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6.2. Ejemplos de fatiga térmica . . . . . . . 4.5. Termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Equipos de ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3. Curvas de fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4. Mecanismos de deformación . . . . . . . . . . . . 4.5.5. Mapas de mecanismos de deformación por fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6. Fractura por fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7. Tiempos de rotura por fluencia . . . . . . . . . .

141 141 141 142 143 145 146 146 148 151 152 154 155 156 157 158 158 158 161 162 163 165 171 172 172 173 174 175 176 178 178 179 180 183 186 189 191

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4.5.7.1. Parámetro de Larson-Miller . . . . . . 4.5.7.2. Concepto de proyección . . . . . . . 4.6. Interacción fatiga-fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2. Crecimiento de cavidades . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3. Crecimiento de grietas . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.4. Factores que influyen en la fatiga-fluencia . 4.6.4.1. Influencia de la forma del ciclo de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.4.2. Influencia de la frecuencia y del envejecimiento térmico . . . . . 4.6.4.3. Influencia de las condiciones microestructurales . . . . . . . . . . . . . 4.7. Desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2. Tipos de desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3. Delaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 5:

TEMA 6:

ESTUDIO DE DEFECTOS EN MATERIALES METÁLICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Las impurezas en los materiales metálicos . . . . . . 5.2.1. Efecto de las impurezas . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Eliminación de las impurezas . . . . . . . . . . . 5.3. Clasificación y descripción de los defectos . . . . . . 5.3.1. Defectos superficiales en lingotes . . . . . . . . 5.3.2. Defectos internos en lingotes . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Defectos superficiales en transformados, inherentes al lingote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4. Defectos internos en transformados, inherentes al lingote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5. Defectos superficiales en transformados, generados en la transformación . . . . . . . . . . 5.3.6. Defectos internos en transformados, generados en la transformación . . . . . . . . . . 5.4. Fragilidad inducida por los defectos . . . . . . . . . . . 5.4.1. Modos de fragilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Origen de las fisuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192 195 197 197 198 199 200 201 203 204 205 205 206 210

211 211 212 214 215 216 216 219 227 228 231 237 238 238 240

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 6.2. Inspección en servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

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ÍNDICE

6.3.

6.4.

6.5.

6.6.

6.2.1. Elección del método . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Obtención de una indicación propia . . . . . . 6.2.3. Interpretación y evaluación de la indicación. Radiología industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Fuentes de radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Soportes radiográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3. Calidad de las radiografías . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4. Exposiciones y técnicas radiográficas . . . . . 6.3.4.1. Técnicas radiográficas especiales . 6.3.5. Protección radiológica . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.6. Procedimiento general de examen por radiografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensayos por ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2. Interferencia de las ondas con los materiales: atenuación . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3. Generación de ondas ultrasónicas . . . . . . . . 6.4.4. Equipos de ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4.1. Factores implicados en la transmisión de ultrasonidos . . . . . . 6.4.4.2. Palpadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5. Métodos de ensayo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5.1. Aplicaciones a distintos tipos de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.6. Interpretación de las indicaciones . . . . . . . . Ensayos mediante partículas magnéticas . . . . . . . 6.5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2. Técnicas de magnetización . . . . . . . . . . . . . 6.5.3. Aplicación de las partículas magnéticas . . . 6.5.4. Interpretación y registro de las indicaciones. 6.5.5. Desmagnetización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensayos por líquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1. Objeto del ensayo y su campo de aplicación . 6.6.2. Productos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3. Técnicas de inspección . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4. Indicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.5. Ventajas y limitaciones del ensayo por líquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . . . .

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

245 245 246 246 249 251 252 253 258 262 263 265 265 267 268 269 271 272 275 278 280 284 284 288 290 293 294 295 296 296 298 299 300 303

PRÓLOGO

Este libro ha sido diseñado y escrito como instrumento de enseñanza, con destino a los alumnos que cursan estudios de la asignatura de Tecnología de Materiales que con carácter obligatorio se imparte en el segundo cuatrimestre de cuarto curso de Ingeniería Industrial. El aprendizaje de la materia que en este texto se expone, permite al alumno completar su formación en el campo de los materiales, ya que después de estudiar la Introducción al conocimiento de materiales, con el correspondiente aprendizaje de sus aspectos fundamentales, pasa al estudio de los diferentes tipos de procesado que proporcionan a los materiales las características básicas para ser utilizados, de forma que una vez puestos en servicio puedan ser controlados con el importantísimo objetivo de que no se produzcan fallos durante el tiempo de operación. El texto se divide en seis temas de amplitud variable, comenzando por el estudio del procesado de materiales, en el que se desarrollan los diferentes modos de darlos forma para poder ser utilizados en condiciones óptimas. En el segundo tema se profundiza en un tipo especial de conformado, como es el pulvimetalúrgico que presenta, además de su caracter menos tradicional, excelentes repercusiones económicas, sin olvidar su gran capacidad para resolver hechurados difíciles. En el tercer tema se tratan las diferentes técnicas de unión, siendo manifiesta la simplicidad de su desarrollo al considerar que el estudio de esta materia tiene lugar en otra asignatura del Plan de Estudios en el que nos encontramos. El cuarto tema tiene una gran importancia, tanto para el ingeniero que desarrolla el proyecto como para la influencia económica que implica su aplicación, debido a las repercusiones que tiene el correcto comportamiento de los materiales en servicio; en él se estudian desde los efectos del medio ambiente, hasta la interacción fatiga-fluencia, sin olvidar los efectos que tanto una, fatiga, como otra, fluencia, presen-

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tan en el transcurso de la aplicación de los materiales en buena parte de los proyectos estructurales. Los temas cinco y seis permiten introducirse en el complejo mundo del estudio del fallo de los materiales en servicio, para ello se trata de conocer bien los posibles defectos con el fin de poder aplicar distintas técnicas de ensayos no destructivos que permitan detectarlos a tiempo, para que no se produzcan durante su servicio. Es de destacar la colaboración que distintos especialistas en estas materias han aportado a la elaboración de este texto, por ello agradecemos a D. Felix Peñalba Díaz, D. Joaquín Ibáñez Ulargui, D. Miguel Ángel Hernández López y D.a Inmaculada Flores Borge, el trabajo desarrollado.

Tema 1 PROCESOS DE CONFORMADO

1.1. INTRODUCCIÓN Los materiales, salvo raras excepciones, necesitan de un número variable de operaciones para que les confieran la característica de ser útiles. Estos procesos de transformación pueden afectar a diferentes aspectos de los mismos, desde su composición original hasta su forma. La cualidad de ser útiles y cómo proporcionar la transformación más adecuada, en cada caso, serán objeto de este tema. El estudio del conformado de materiales tiene su justificación en las razones siguientes: — Conseguir una buena adecuación entre la masa de materia a conformar y el producto acabado. — Posibilitar la obtención de productos con formas complejas. — Mejorar las características mecánicas iniciales, tanto por el endurecimiento y eliminación de defectos inducidos por deformación plástica, como por los cambios microestructurales derivados de los tratamientos termomecánicos. — Reducir el ciclo de fabricación, tanto en tiempo como en espacio. — Mejorar y ampliar la gama de materiales utilizables. — Reducir los costes de fabricación. Después de presentar las importantes razones que justifican el estudio del conformado de materiales, la pregunta inmediata será: ¿Cómo se pueden clasificar los procesos de conformado? Básicamente se pueden diferenciar tres grandes familias de procesos que permiten conformar materiales, dos de ellas se pueden definir

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como clásicas y la tercera, si bien ya tiene algunos años de existencia y es habitual en el campo del cemento y de las cerámicas, sigue siendo minoritaria en el área de los metales. La primera familia se fundamenta en el arranque de material, la segunda en el cambio de forma sin perdida de masa y la tercera, denominada sinterización y basada en la transformación de una pieza en verde, obtenida por compactación, en una pieza con la resistencia adecuada para ser utilizada, será tratada en el tema 2. Paradójicamente, a la primera familia pertenecen algunos de los procesos más antiguos, como son el pulimentado y el tallado de piedra, y uno de los más costosos y definitivos para la puesta en servicio de un material, el mecanizado. Se obviarán los primeros y al final de este tema se expondrá una referencia específica al último, sobre todo en orden a evitarlo con el fin de reducir el coste de las piezas conformadas. La segunda familia de procesos de conformado se fundamenta en cambios de forma sin perdida de masa y puede, a su vez, estructurarse de acuerdo con la temperatura homóloga del material durante el proceso de conformado; siendo la temperatura homóloga (TH) el parámetro obtenido al dividir la temperatura de conformado (TC) por la de fusión (TF) del material. TH TC /TF. Se consideran procesos de conformado en frío aquellos que se realizan desde temperatura ambiente (TH 0) hasta TH 0,4; los procesos de conformado en semicaliente o tibio, se efectúan a temperaturas homologas tales que 0,4 TH 0,5, caracterizándose porque se llevan a cabo en el límite en el que los fenómenos de recristalización tienen lugar; los procesos de conformado en caliente se realizan de 0,6 TH a 0,87 TH. La pregunta que surge inmediatamente es: ¿cómo se clasifica un tratamiento realizado de 0,5 a 0,6 de TH? La respuesta no puede concretarse, en primer lugar debido a que los límites previamente especificados no son exactos, simplemente son los generalmente admitidos; por otra parte, porque existen otros parámetros, tales como la velocidad de deformación y la propia deformación que pueden hacer variar levemente los límites que definen los diferentes tipos de tratamiento. Lo que nunca se debe olvidar es que esos límites vienen marcados por los efectos que los tratamientos realizados a la temperatura correspondiente producen en el material; básicamente son cambios microestructurales, procesos de recristalización y de acabado superficial. Es decir, cada material determina sus propios límites o zonas de conformado en función de su historia y de sus características intrínsecas, como puede ser su composición o cualquiera de los procesos previos al conformado.

PROCESOS DE CONFORMADO

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Los procesos de conformado en semisólido (Tixoformado) son procesos novedosos que se realizan a temperaturas próximas a la de fusión del material y, por último, se encuentran los procesos de conformado en estado líquido que son los denominados procesos de moldeo, que alcanzan su mayor grado de aplicación en los materiales poliméricos. Aunque existen notables diferencias en las transformaciones que sufren los materiales al ser conformados en frío, semicaliente o caliente, se pueden estudiar simultáneamente, dado que la mecánica del cambio de forma es la misma, con independencia de la temperatura a la que tenga lugar. Sin embargo, el tixoformado y el moldeo requieren de un tratamiento diferenciado, ya que tratan los materiales a conformar en estado semisólido y líquido, respectivamente.

1.2. CONSIDERACIONES SOBRE EL CONFORMADO Se puede definir el conformado como el conjunto de procesos que utilizan la aptitud que presentan los materiales frente a su deformación plástica. La capacidad de deformación es una función del material (reología), así como del proceso, caracterizado por el tipo de esfuerzos aplicados y por los parámetros de operación, entre los que se encuentran la temperatura y la velocidad generalizada de deformación. Por otra parte, se debe considerar que el conformado tiene tres aspectos que lo definen, el mecánico que está caracterizado por los esfuerzos aplicados, el metalúrgico que viene determinado por las transformaciones microestructurales inherentes a la tensión y a la temperatura, y el tecnológico, en el que se tienen en cuenta, entre otros, aspectos tales como los económicos, los derivados de su utilidad real y los que afectan al impacto medioambiental que pueden producir los distintos tipos de conformado. Entre los procesos aplicados al producto inicial se deben diferenciar aquellos que aplican esfuerzos de compresión, tales como forja libre, recalcado, estampado, laminado; de aquellos otros que aplican esfuerzos de tracción como son los de estirado y trefilado, teniendo en cuenta que muy pocos procesos de conformado someten al material a un solo tipo de esfuerzo. Concretamente en los mencionados, los esfuerzos de tracción van acompañados de otros, menos importantes en términos cuantitativos, de compresión. Cuando se conforma un material previamente trabajado, o sea un semiproducto, se hablará de embutición, plegado, perfilado y de algún otro menos usual, tal como el doblado.

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Características de la deformación La deformación viene caracterizada por el modo en que se realiza, bien sea por deslizamiento o bien por maclaje. El deslizamiento implica la traslación de un plano atómico, en relación a otros, gracias al desplazamiento de las dislocaciones. Viene caracterizado por un plano y una dirección de deslizamiento que se corresponde con la dirección cristalográfica de mayor densidad atómica. El número de posibles direcciones de deslizamiento depende del sistema cristalino en el que cristaliza el material deformado. Por ejemplo, en un material que cristalice en el sistema cúbico centrado en las caras son 24, encontrándose en este grupo: Fe-, Ni, Cu, Ag, Au, Co, Al, Mn; los que cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo también son 24, entre los que se encuentran: Fe-, Ni, Cu, Mn, Mo, Ta, W, Ti, Zr, mientras que los que cristalizan en el sistema hexagonal compacto tan solo son 6, siendo los más representativos: Ti, Zn, Mg, Zr, Be. El maclaje es un modo de deformación que tiene lugar mediante deslizamientos de planos contiguos en desplazamientos variables. Un elemento determinante en el desarrollo de las deformaciones es la formación de dislocaciones. Como su nombre indica son alteraciones en el orden, colocación, de la red cristalina que provocan o favorecen la ruptura encadenada de ligaduras, lo que permite el avance progresivo de la deformación. El movimiento de dislocaciones se encuentra, a su vez, afectado por diferentes procesos en los que puede existir la acción combinada con vacantes, intersticiales, fronteras de grano, reagrupación de átomos y existencia de precipitados.

Condiciones de la deformación El concepto clásico de deformación plástica hace referencia al proceso de cambio de forma irreversible; es decir, el material se opone al esfuerzo al que es sometido, o sea que cuando cesa el esfuerzo cesa la reacción, en contraposición a la deformación elástica en la que el material se opone, no a la fuerza sino a la deformación que la misma provoca; por lo que cuando cesa la fuerza externa, el material sigue actuando contra la deformación producida hasta que la anula total o parcialmente. Cuando una carga constante produce una deformación que crece de forma continua, la situación corresponde al proceso de fluencia, que tiene lugar cuando los niveles de temperatura son lo suficientemente elevados como para hacerle posible, tal y como se estudiará en el tema 4.


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La deformación plástica provoca transformaciones profundas en el material, conserva la historia de los esfuerzos y, en ocasiones, le hace adquirir nuevas propiedades.

1.2.1. Influencia de la temperatura sobre el conformado Para explicar la influencia de la temperatura, en cada uno de los grupos mencionados anteriormente, o sea en frío, semicaliente o caliente, existe un principio generalizado que implica que al aumentar la temperatura de conformado disminuye la resistencia del material y por tanto se deforma mejor, produciéndose un menor desgaste de las instalaciones. Sin embargo, esta aparente panacea tiene sus limites, el primero es de índole económica, aumentar la temperatura del material supone un gasto energético importante y, en ocasiones, determinante para la competitividad del producto terminado; en segundo lugar el material se hace más vulnerable, sufre alteraciones de composición si no está debidamente protegido, sobre todo la presencia del oxígeno puede incidir negativamente en el producto final. Por otra parte sufre alteraciones en su aspecto, ya que al producirse cascarilla se hace necesaria una limpieza del material y además se puede llegar a quemar, produciéndose la desintegración del mismo por descohesión intergranular. Por tanto, hay que alcanzar un compromiso entre las diferentes posibilidades, dependiendo de distintos factores, entre los que se encuentran el valor añadido y las condiciones de seguridad. En el otro extremo de la influencia de la temperatura se encuentra el conformado en frío, que energéticamente es más económico, ya que el producto obtenido no necesita de operaciones posteriores tales como enderezados o mecanizados. Si se tiene en cuenta que el coste del mecanizado de una pieza de forma complicada puede llegar a ser el cincuenta por ciento del valor de la misma, se comprende porqué, en muchas ocasiones, es preferible conformar en frío. Por otro lado, el material no experimenta un crecimiento del tamaño de grano por activación térmica, sino que sufre la deformación de los granos con el consiguiente endurecimiento por acritud. Sin embargo, las dificultades que entraña el conformado en frío no son banales, ya que la potencia necesaria para deformar el material es muy elevada por lo que se requieren instalaciones especiales; sin olvidar que el desgaste de las máquinas hace necesario un control dimensional eficaz y que la geometría del producto no puede ser complicada, ya que el material no se encuentra en condiciones de fluir y rellenar cualquier tipo de molde.

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1.2.2. Variaciones estructurales en el conformado Además de las consideraciones expuestas, existen otras de índole estructural, no menos importantes, que pueden ser determinantes a la hora de escoger un determinado método de conformado. Son las referentes a los fenómenos de restauración, recristalización y precipitación. Los dos primeros, restauración y recristalización pueden ocurrir de forma tanto estática como dinámica. Cuando un material se deforma plásticamente en frío, los granos se deforman provocando la generación de dislocaciones que aumentan en densidad a medida que se incrementa el grado de la deformación, pasando de encontrarse como dislocaciones aisladas, figura 1.1a, a formar marañas de dislocaciones, figura 1.1b, para terminar formando estructuras celulares de dislocaciones, figura 1.1c, tal y como se pueden observar en la secuencia de micrografías, realizadas a 30.000 aumentos mediante microscopía electrónica de transmisión.

FIGURA 1.1a

Si se calienta el material, previamente deformado en frío, a temperatura no demasiado elevada ( 0,3 TH) durante un tiempo corto, se provoca un cierto ablandamiento del material sin modificación de su estructura interna, fenómeno que se denomina restauración estática; mientras que si el material se calienta durante un tiempo prolongado a

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FIGURA 1.1b

FIGURA 1.1c

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temperaturas superiores, los granos, que se habían deformado alargándose, tienden a recuperar la forma equiaxial de equilibrio y a su vez, la agitación térmica provoca un desplazamiento de fronteras incrementando su tamaño, este es el fenómeno de recristalización estática. Cuando trabajando en caliente se supera un cierto grado de deformación, las dislocaciones, al igual que en el caso anterior de la deformación en frío, se van agrupando primero y después con las de sentido contrarios se van aniquilando, formando así una estructura de subgranos que da lugar a la constitución de una subestructura, sólo observable mediante microscopia electrónica de transmisión. Cuando se incrementa la deformación y se alcanza un ochenta o noventa por ciento de su máximo, la subestructura se convierte en una estructura fina de granos alojados en el interior de los granos originales previamente deformados, dando lugar a una nueva estructura aparentemente no deformada. Este es el fenómeno de recristalización dinámica que produce un importante afino de grano, con independencia del tamaño inicial que el grano tuviera. El tamaño de grano final que se obtiene después de la recristalización estática se puede calcular mediante la ecuación: Drec kD0pZq

[1.1]

donde Drec representa el tamaño de grano recristalizado y D0 el inicial, mientras que es la deformación generalizada, Z el parámetro de ZenerHollomon, p y q son parámetros empíricos. La recristalización dinámica provoca una reducción del tamaño de grano, evaluable mediante la siguiente ecuación: Drec kZq

[1.2]

Como se desprende de estas dos ecuaciones, en la recristalización estática el tamaño de grano final depende del inicial y del grado de deformación, mientras que en la dinámica depende nada más que del parámetro de Zener-Hollomon, según la ecuación: Z ˙ expQ/RT

[1.3]

donde ˙ es la velocidad generalizada de deformación, Q la energía aparente de activación, R la constante de los gases perfectos y T la temperatura a la que se ha realizado el proceso. Los fenómenos de recristalización se ven notablemente afectados por los elementos de aleación, especialmente cuando estos elementos forman partículas que precipitan, tanto en las fronteras de grano como en el interior de los mismos. Los precipitados están formados por compuestos,


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cuyos parámetros de red deben ser incoherentes; es decir, diferentes del parámetro de red de la matriz, de manera que la distorsiona y por lo tanto afecta a su comportamiento. Hay elementos que por encima de una temperatura crítica son solubles en el material base, entonces la solución sobresaturada, cuando se enfría, tiende a formar partículas que presentan dos efectos, uno endurecedor y otro de control del crecimiento de grano por anclaje de sus fronteras. Para que las partículas tengan estos efectos, deben distribuirse de forma homogénea y no superar un determinado tamaño, puesto que si lo hacen actúan de forma perniciosa, induciendo fragilidad en el material. En el caso de los aceros, las partículas que se forman son carburos, nitruros y carbonitruros, siendo diversos los elementos que constituyen estas partículas, entre ellos el considerado como más clásico es el cromo, que forma carburos que después de precipitar presentan una gran facilidad para coalescer. También se utilizan microaleantes, así denominados porque el porcentaje en masa que se introduce es un orden inferior a los aleantes clásicos, hasta el 0,15%, siendo el niobio, vanadio y titanio los más empleados. Para producir un endurecimiento por precipitación, el elemento más utilizado es el vanadio ya que es totalmente soluble a las temperaturas usuales previas al conformado, mientras que el niobio y el titanio están parcialmente solubilizados. El vanadio en acción conjunta con el nitrógeno produce un aumento de la resistencia y del límite elástico debido al control que ejerce sobre el crecimiento de los granos y al endurecimiento por precipitación que produce. Cuando se añade titanio en pequeñas cantidades, 0,02% en masa, se consigue un endurecimiento menor que en el caso del vanadio pero, por el contrario, realiza un importante control del tamaño de grano hasta temperaturas muy elevadas, alrededor de 1.150°C. El niobio es un excelente controlador del crecimiento de grano pero hasta temperaturas más bajas que el titanio (900-950°C). La naturaleza de estos precipitados está relacionada con el contenido en carbono y nitrógeno presente en la aleación, formándose nitruros y carbonitruros debido a que su parámetro de red es muy similar. La presencia conjunta de vanadio y titanio da origen a la formación de microprecipitados complejos. La precipitación suele ocurrir en las proximidades del frente de avance de la transformación y en la ferrita sobresaturada. Cuanto menor sea la temperatura de transformación, enfriamientos más rápidos, más finos y eficaces serán los precipitados. En general, se puede afirmar que a partir de 20 nm la eficacia de

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los precipitados se atenúa hasta llegar a ser nula e, incluso, perniciosa. Lo mismo sucede al aumentar el contenido de microaleantes; por ejemplo, el titanio en exceso posibilita la formación de carburos que si alcanzan las fronteras de grano pueden inducir fragilidad.

1.2.3. Velocidad de deformación generalizada en el conformado Se puede definir la velocidad generalizada de deformación de una probeta o pieza de espesor determinado, de longitud inicial h0 y dimensión después de la deformación h, mediante la expresión: ˙ d[ln(h/h0)]/dt

[1.4]

Sin entrar en consideraciones profundas, este valor no coincide con el de la velocidad de desplazamiento del cabezal de la maquina de ensayos o de la prensa de estampado o forja, ni con la velocidad de los rodillos de una laminadora o con el desplazamiento de material extruido en una extrusora. Es por ello, que para marcar la diferencia se le añade el calificativo «generalizada», aunque a partir de esta aclaración, siempre que se mencione velocidad de deformación corresponderá a la velocidad generalizada. Es una magnitud de complicado cálculo y que difiere de unos puntos a otros del material en el proceso de deformación. Como dato aproximado se puede mencionar que en un proceso de laminación, las velocidades generalizadas de deformación oscilan entre 10 s1 y 2 102 s1, en la forja abierta se pueden alcanzar velocidades de deformación entre 10 s1 y 103 s1, en la forja por estampa oscilan entre 10 s1 y 102 s1 y en la extrusión entre 101 s1 y 10 s1. En la figura 1.2 se presentan de forma esquemática las operaciones necesarias para conseguir mediante forja un cubo de rueda. Se inicia con una parte de barra de acero laminada en caliente, denominado taco de partida, que se conforma a una velocidad de ˙ 25,4 s1 y un grado de deformación de 0,86, que corresponde a la primera operación. La segunda operación deja la pieza prácticamente acabada, necesitando un grado de deformación máximo y una velocidad más moderada pero todavía alta, concretamente en este ejemplo la velocidad es de ˙ 9,7 s1 y el grado de deformación de 1,04. La tercera operación sirve para dar la forma definitiva y para ello se aplican valores de deformación y velocidad de deformación relativamente bajos, en este caso 0,33 y 5,1 s1 , respectivamente.

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En esta figura se señalan tres zonas muy diferentes, en cuanto a la deformación experimentada, simuladondo el proceso industrial de forja mediante ensayos de torsión en caliente.

FIGURA 1.2

Ahora bien, como se puede apreciar en el esquema, la pieza tiene una geometría complicada y cabe suponer que no todas sus partes se han deformado lo mismo ni a la misma velocidad, entonces se puede hacer la siguiente pregunta ¿por qué se dan esos valores? Como es lógico, la aparición de grietas debidas al conformado tiene lugar en aquellas zonas sometidas a mayores deformaciones y más elevadas velocidades de deformación; pues bien, los valores corresponden a la zona que, después de un estudio del proceso, sufre un conformado más severo. Generalmente se intenta determinar los parámetros de conformado de las zonas críticas, por ser las más susceptibles de presentar grietas. Existe un tipo de conformado, denominado superplástico, que se realiza a velocidades de deformación muy bajas, del orden de 104 s1 102s1

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y a temperaturas superiores a 0,5 TF. Es importante recalcar que no se requiere tan solo esa velocidad de deformación, sino que también es necesario que el material tenga una estructura de grano muy fino, de forma que el mecanismo conductor de la deformación no sea el trepado de dislocaciones sino el deslizamiento de fronteras de grano. Este es un proceso complicado y lento que no permite realizar grandes series de piezas a precios competitivos. El interés de este proceso estriba en que el comportamiento superplástico se caracteriza por alargamientos que pueden alcanzar el 2.000%, lo que se traduce en la posibilidad de obtener formas extremadamente complicadas sin que aparezcan estricciones o grietas. Al ser un proceso lento, solo es aplicable a piezas de gran valor añadido, como por ejemplo elementos quirúrgicos o aeronáuticos. Los dos factores que determinan un proceso de conformado son el tiempo y la temperatura, por lo tanto será conveniente repasar, aunque sea someramente, el efecto conjunto de ambos. Cuando el conformando se realiza a temperaturas homólogas superiores a 0,5 TH y velocidades bajas, 104 s1 102 s1 se generan ciclos de endurecimiento-recristalización sucesivos. A velocidades superiores a 1 s1 la deformación crítica que favorece la recristalización se alcanza antes de que la recristalización dinámica afecte a todo el material, siendo este efecto más ostensible cuanto mayor es la velocidad de deformación. La consecuencia inmediata es que el tamaño de grano final y por ende la resistencia y la tenacidad varia con el grado de recristalización alcanzado y con los ciclos térmicos posteriores. A temperaturas inferiores, la velocidad interviene poco en la capacidad de deformación pero provoca un calentamiento adiabático que puede alterar las condiciones del conformado. Sin embargo, si las temperaturas son más elevadas el calentamiento adiabático puede ser importante, dependiendo de la capacidad de absorción térmica de la instalación, de los rodillos de laminado o de la matriz de estampa. Hay que tener en cuenta que, por ejemplo, en una pieza de acero de dimensiones reducidas sometida a un proceso de conformado, con escasa disipación de calor a través de la matriz o de los rodillos, realizado a 950°C y con una velocidad de deformación de 20 s1 supone hasta 80°C de incremento en la temperatura de la pieza durante el proceso. Este calentamiento adiabático es más significativo, lógicamente, si se trabaja en semicaliente 650700°C y con el mismo orden de velocidades, pudiendo incrementarse la temperatura hasta 200°C, con lo que no sólo cambian las condiciones mecánicas sino también las físicas, al superar el acero su temperatura de transformación, .

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1.2.4. Otros aspectos que afectan al conformado Entre los aspectos que afectan al conformado es necesario mencionar las condiciones de partida, ya que el material a conformar puede provenir de una colada solidificada en molde o de lo que se denomina un semiproducto, barra, palanquilla o chapa, aunque también puede haber sufrido un tratamiento térmico previo para cumplir las condiciones impuestas por el cliente. En general, el material cuando es colado posee una estructura muy definida y algunos defectos inherentes al proceso de enfriamiento, por lo que el fabricante de piezas preparadas para un uso determinado utiliza el material en la forma y tamaño más adecuado para su manipulación y conformado. El material así dispuesto puede ser un producto plano, por ejemplo planchón o chapa o bien un producto largo, que si la sección es cuadrada se denomina palanquilla y si es circular se trata de barra o de alambrón; dependiendo de la magnitud del radio y según su forma se puede distinguir la barra, de la barra corrugada e incluso de la barra de sección poligonal.

FIGURA 1.3

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Si además de haber sufrido un conformado previo, el material debe cumplir condiciones estructurales y mecánicas diferentes a las que el proceso de fabricación le confiere, es necesario someterlo a un tratamiento térmico adicional, que puede ser un normalizado o un recocido, posibilitando su adecuación a las necesidades del usuario. El tratamiento más usual es el normalizado, que consiste en calentar el material por encima de la temperatura de transformación y dejarlo enfriar al aire; se denomina normalizado porque teóricamente permite al usuario constatar las condiciones «normales» del material. En otros casos se puede requerir un recocido, en el que el enfriamiento sea lento. La estructura de colada de un material moldeado es columnar, tal y como se puede aprecia en la figura 1.3, en la que se representa el esquema de un lingote de acero enfriado en molde de fundición. Cuando se conforma, forja, o relamina, a partir de un material laminado, se tiene una estructura fibrosa, que se presenta en la figura 1.4 correspondiente a una horquilla de una caja de cambios forjada sobre palanquilla laminada, en la que se puede observar como la estructura fibrosa, consecuencia del conformado, se adapta a las líneas de flujo de la deformación, de acuerdo con la forma de la pieza.

FIGURA 1.4

A veces es incluso posible obtener una estructura de bandas, con zonas de diferente composición y estructura, tal y como se puede observar en la figura 1.5, que corresponde a un acero de cementación laminado y

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normalizado. Las bandas claras se deben a la ferrita y las oscuras a la perlita, caracterizada por su mayor contenido en carbono.

FIGURA 1.5

De forma esquemática y sobre una pieza complicada, un cigüeñal de automóvil, se puede observar lo que sucede si se conforma sin tener en cuenta estas características estructurales desfavorables. Tanto en el caso de material de estructura fibrosa como en el de bandas, las propiedades transversales, que son perpendiculares a la dirección de laminado, son muy diferentes a las longitudinales, especialmente la tenacidad. Por otra parte, si se corta la fibra al forjar se inducen zonas de inicio de grieta altamente peligrosas. Las piezas conformadas sobre producto moldeado sufren las secuelas habituales de este método de fabricación, como son los defectos internos y la menor resistencia, por no mencionar la formación de una estructura acusadamente columnar. En la figura 1.6 se presentan diferentes estructuras según los procesos de conformado seguidos. Así, la de la izquierda corresponde al esquema de un cigüeñal estampado sobre un material colado, observándose su carencia de orientación (isotropía); la del centro corresponde a la misma pieza, mecanizada sobre un material laminado, pudiéndose observar las

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líneas correspondientes a la fibra que han sido cortadas por el mecanizado; el esquema de la derecha corresponde a la misma pieza estampada sobre un material laminado, apreciándose como la fibra producida por el laminado no ha sido cortada y se adapta perfectamente a la forma final de la pieza. El proceso seguido en el esquema de la derecha es el que proporciona mejores propiedades mecánicas, ya que la pieza de la izquierda, aún siendo estampada correctamente, sufre los defectos típicos de un material moldeado, como son discontinuidades o porosidades. El proceso de mecanizado experimentado por la pieza esquematizada en el centro de la figura, corta la fibra de laminado y en consecuencia la pieza será poco tenaz, pudiendo producirse en los puntos de corte el inicio de las grietas.

FIGURA 1.6

1.3. CONFORMADO DE PRODUCTOS NO PLANOS El conformado de materiales, desde el punto de vista de la pieza a conformar, se puede dividir en dos grandes familias según se obtenga un semiproducto o el producto final. El semiproducto es, en general, una pieza de grandes dimensiones, chapa, palanquilla, barra, destinada a su vez a ser conformada, para conseguir un producto de forma más complicada, un producto no plano, prácticamente terminado y dispuesto para su utilización. Para la obtención de semiproductos se cuenta con laminadoras, mientras que el producto no plano se obtiene por forja en sus diferentes modalidades. Esta clasificación no es cerrada ya que hay procesos de conformado, tales como la embutición, que proporcionan piezas de geometría complicada, pero en términos generales se considera el conformado de productos no planos como terreno casi exclusivo de la forja. La forja conforma las piezas aplicando fuerzas de compresión mediante la presión que ejercen las prensas hidráulicas o por la energía que descargan sobre ellas las máquinas de impacto o directamente el hombre.

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1.3.1. Forja libre En este tipo de conformado el material se comprime en una dirección, pudiendo desplazarse libremente en las otras dos, tal y como muestra la figura 1.7 en la que se esquematiza la forja abierta o libre, quedando la fibra deformada del modo que se presenta en la figura 1.8, en la que se puede observar como la fibra del material se expande progresivamente, en sentido normal al esfuerzo soportado, correspondiendo a la micrografía del centro la mayor expansión.

FIGURA 1.7

FIGURA 1.8

La forma final se suele alcanzar después de golpear reiteradamente la pieza, bien de forma manual tal y como se muestra en el grabado de la figura 1.9, o bien de forma mecánica, variando en ambos casos la posición de la pieza. Los martillos mecánicos se mueven mediante un dispositivo hidráulico que permite conformar piezas cada vez mayores. Con este

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tipo de dispositivos se hicieron famosos los forjadores de la Península, fargas en Cataluña; ferrerías y forjas se extendieron dando lugar a una floreciente industria de la que, quizás, el ejemplo mejor conservado se encuentra en Mirandaola, próxima a Legazpia en Guipúzcoa; en la figura 1.10 se presenta en detalle la espectacular maza de forja.

FIGURA 1.9

FIGURA 1.10

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La revolución industrial desarrolló dispositivos que permitieron aumentar la potencia de los martillos, uno de los ejemplos más clásicos se presenta en la figura 1.11, en la que se puede observar el dispositivo de forja abierta con la fragua al fondo. La forja se realiza mediante un émbolo movido hidráulica o mecánicamente que golpea reiteradamente la pieza a forjar.

FIGURA 1.11

La temperatura adecuada de la pieza se conseguía mediante una fragua ubicada junto al yunque o martillo, calculándose de forma más o menos artesanal las condiciones óptimas de conformado, condiciones celosamente guardadas por los herreros o forjadores. Cuando las piezas a forjar son de un tamaño grande se requiere de un dispositivo adicional

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que cambie la posición de la pieza. En la figura 1.12 se presenta un esquema de un tren manipulador de piezas de gran peso, que realiza giros sucesivos en la pieza a forjar.

FIGURA 1.12

1.3.2. Forja cerrada El conformado de piezas en útiles cerrados, denominados estampas, permite alcanzar de manera rápida elementos de mayor complejidad que la forja abierta o libre. La deformación plástica del material se realiza mediante estampas cerradas que imponen una forma definida al material. La estampa, generalmente de dos piezas, posee la forma que se desea conferir al material y debe permitir la fácil extracción del producto una vez conformado. El estampado puede realizarse en el martinete, martillo pilón, sencillo o de contragolpe, o bien en prensa. El martillo sencillo tiene colocada la mitad de la estampa en la parte móvil y la otra mitad en el yunque y requiere de una instalación sólida ya que el impacto sobre el basamento es muy fuerte, sobre todo en los de doble efecto donde la maza no cae por gravedad sino que es impulsada. El martillo de contragolpe sigue un criterio completamente distinto a los de caída libre o doble efecto. Se caracteriza por tener, en lugar de maza móvil y yunque fijo, una segunda maza que bate en sentido opuesto a la primera. Ambas mazas se encuentran a mitad del recorrido. Al carecer de yunque fijo no se transmite el impacto sobre el terreno, esta es una ventaja notable ya que evitan vibraciones en los edificios circundantes. Este tipo de martillo presenta algún inconveniente, ya que requiere de mayor precisión de alineamiento debido a que no solo se mueve la maza sobre una base fija, sino que son dos mazas las que chocan en

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el centro de la estampa. Por otro lado, al moverse las dos partes de la estampa, el material no permanece inmóvil y por lo tanto, hay que acompañarle siguiendo el movimiento de la estampa, lo que es complicado e implica no estampar piezas con salientes. La forja cerrada mediante prensa se caracteriza por utilizar menores velocidades generalizadas de deformación y porque la deformación del material se realiza durante más tiempo. En la figura 1.13 se muestran dos ejemplos de ambos tipos de dispositivo. El martillo de contragolpe, figura 1.13a, está forjando un cigüeñal de camión cuya posición se varia mediante una pinza mecánica que va colocando la pieza en los diferentes moldes de la matriz. En la figura 1.13b se muestra, en planta, una prensa hidráulica de 20.000 KN que se utiliza para la forja de piezas de gran tamaño, dado que en este caso las piezas que se están forjando son de tamaño pequeño, bielas, horquillas, etc, un operario con una pinza y un dispositivo de seguridad es el que cambia la posición de las piezas.

a

b FIGURA 1.13

Cualquiera que sea el procedimiento seleccionado, en la forja cerrada se somete al material a una deformación acusada y tan importante es conseguir que fluya como lograr que ocupe todo el espacio de la estampa, por lo que el volumen de material introducido debe ser compatible con el de la estampa, teniendo que salir el material sobrante por conductos ha-

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bilitados al efecto, tal y como se aprecia en la figura 1.14, en la que se presenta un esquema del proceso de conformado por estampación realizado en seis pasos o golpes. En la primer paso (a) se encuentra el taco original de material que todavía no ha comenzado a deformarse, los dos pasos siguientes (b y c) van aplastando el taco que comienza a adoptar la forma de la matriz; en los dos pasos siguientes (d y e) comienza a fluir el material por los canales habilitados al efecto, de forma que la materia sobrante ocupe las cavidades laterales. Si la estampa no está bien diseñada, el material no la rellenará por mucho esfuerzo que se aplique. Los canales de expulsión del material sobrante, que en el esquema aparecen a ambos lados de la pieza, deben estar dimensionados correctamente para que el material fluya. En el paso (f) se presenta la pieza terminada, con el material sobrante unido mediante una fina placa con la pieza, de forma que puede ser eliminado de manera sencilla una vez extraída la pieza de la matriz.

FIGURA 1.14

Mención aparte merece el recalcado o forja horizontal que consiste en aplastar el material en el sentido de la fibra para provocar un aumento de sección transversal, no una reducción. Suele considerarse una primera

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etapa de forja ya que permite adaptar el bloque original a la geometría que se pretende alcanzar. Es por ello que no suele considerarse un proceso de conformado independiente ya que solo sería aplicable a piezas sencillas o procesos muy específicos como por ejemplo es el roblonado.

1.4. LAMINADO Los materiales fundidos, afinados o colados no poseen, en general, las características tecnológicas, ni las formas necesarias para satisfacer las condiciones de uso. El proceso de conformación más importante y, con mucho, el más utilizado para obtener productos válidos para su uso inmediato o casi inmediato es el proceso de laminación, tanto en caliente como en frío. Durante siglos, el acero tuvo restringido su uso a piezas pequeñas, armas, recipientes, útiles, ya que no pudo emplearse como elemento estructural hasta que se desarrolló el conformado por laminación. Esquemáticamente, en su forma más sencilla, consiste en hacer pasar el material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario, de forma que reducen la sección del material debido a la fuerza aplicada, tal y como se muestra en la figura 1.15.

FIGURA 1.15

El parámetro básico del laminado es la reducción, según la ecuación: R=

S0 S f × 100 S0

[1.5]

Cuando la referencia es un producto plano se puede expresar mediante la ecuación: R=

h0 h f × 100 h0

[1.6]

donde S y h, hacen referencia a las dimensiones iniciales y finales del material.

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El equipo básico de laminación se conoce con el nombre de caja y consta de un par de cilindros y su soporte. El conjunto de varias cajas se denomina tren de laminación, siendo el más sencillo el compuesto por una caja dúo, generalmente reversible, en la que los cilindros pueden invertir su sentido de giro permitiendo que el material pase, alternativamente, de izquierda a derecha y viceversa; mientras que el de caja trío dispone de tres cilindros superpuestos en los que el material se conforma en un sentido por la parte superior y en el contrario por la inferior. En la figura 1.16 se esquematiza el tipo de tren trío.

FIGURA 1.16

Cuando se pretenden obtener grandes reducciones es preciso ejercer grandes presiones, para lo cual se recurre a dispositivos más complejos, cajas cuarto y clusters, en los que los cilindros de trabajo son más pequeños y se apoyan en un segundo juego de cilindros que realiza la presión. En la figura 1.17 se presenta un esquema de cada uno de estos dispositivos.

FIGURA 1.17

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Al laminar un material disminuye su sección y aumenta su longitud, manteniéndose constante el volumen. Si se desea obtener un producto de sección mucho menor que el producto de partida, la longitud final es tal que no es posible emplear un tren reversible de una sola caja, por las dimensiones a manejar y por el enfriamiento que sufriría el material. Este problema se resuelve utilizando varias cajas en serie que estructuran lo que se denomina un tren continuo, que somete al material a reducciones sucesivas desde las más fuertes a las más ligeras o de acabado, tal y como se puede ver en la figura 1.18, en la que se presenta de forma esquemática una instalación típica de laminado para producto plano.

FIGURA 1.18

Se trata de un producto plano porque el primer dispositivo que se detalla es una empujadora de planchones, es decir, se parte de un planchón, generalmente piezas planas de varias toneladas de peso y un espesor inicial de 20-30 cm y en consecuencia, solo se puede terminar en un producto plano, mientras que en una laminadora de producto largo se tienen barras como producto inicial. Estos planchones se introducen en hornos para conseguir una temperatura inicial de 1.150 a 1.250°C. En el caso del acero, al salir del horno la pieza se oxida y se cubre de cascarilla, por lo que la toma de temperaturas puede verse falseada; para evitarlo se riega el material, lo que produce una contracción brusca en la superficie que cuartea la cascarilla y posibilita un control correcto de temperatura. El planchón descascarillado pasa al tren desbastador que

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suele ser un tren reversible donde sufre la mayor deformación ⬇ 60%; a continuación, unas planchas cerámicas impiden el enfriamiento excesivo del material que entra en el tren finalizador. El tren finalizador está compuesto de varios rodillos que van reduciendo el espesor de la chapa hasta alcanzar el espesor deseado, que puede ser de milímetros e incluso menos como cuando se trabaja en la hojalata. El último par de rodillos o los dos últimos no producen apenas reducción de espesor sino que confieren la apariencia exigida al material, son los denominados «skin pass» que dejan la superficie en las condiciones adecuadas, habitualmente caras plano paralelas y sin rugosidades. En la zona de bobinadoras no tiene lugar un proceso de laminado propiamente dicho, sino simplemente es una preparación para el posterior transporte, aunque el material puede sufrir, en esta zona, alguna pequeña transformación metalúrgica final, como consecuencia del proceso de enfriamiento más lento que tiene lugar durante el enfriamiento de la masa de la bobina. Si se quieren obtener perfiles especiales de uso estructural hay que recurrir a los llamados trenes universales que constan de rodillos horizontales y verticales, tales como el que se representa de forma esquemática en la figura 1.19. Como se puede apreciar el laminado no se realiza solo en un sentido normal al desplazamiento, dejando los bordes libres o canteándolos, sino que un segundo par de rodillos, que actúa conjuntamente con los primeros, perfila el material en forma de T prensándolo sobre los rodillos de laminado principales.

FIGURA 1.19

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Mención especial merece el laminado de tubos, sea sin soldadura o con ella. En el caso de laminado de tubos sin soldadura se combina el laminado con el trepanado. Una barra de las dimensiones adecuadas al tamaño final del tubo que se quiere fabricar, se calienta a unos 1.200°C; a esta temperatura sufre un conformado doble, por una parte es laminado mediante rodillos con la forma adecuada y, a la vez, se le practica un taladro para conseguir el diámetro interior deseado, tal y como se muestra en la figura 1.20, en la que se puede observar la pieza a elevada temperatura, guiada por dos cilindros verticales, mientras que una pieza rígida en cuyo extremo se encuentra el trépano, que realiza la horadación interior, da lugar al trepanado de la pieza.

FIGURA 1.20

En el caso de tubos con soldadura se combina el laminado con la soldadura según el esquema que se representa en la figura.1.21. Se parte de una chapa cuyo espesor corresponde al que se desea en el tubo, los rodillos poseen una sección acanalada que va dando forma a la chapa que se va combando progresivamente en cada cilindro hasta que en el último los dos extremos entran en contacto, en ese momento se hace pasar la chapa por un electrodo que va soldando los bordes, previamente unidos. Esta soldadura puede ser de diferentes formas, desde la más sencilla, siguiendo una generatriz, hasta la más complicada por seguir una línea helicoidal. Un caso aparte de laminado de tubos sin soldadura es el que se realiza con un tren Pilger o de paso de peregrino, esquematizado en la figura 1.22. Se trata de un proceso que posee características de laminado y forja. El lingote, de aproximadamente 60 cm de diámetro y 2 m de longitud, se calienta a unos 1.200°C y se le somete a una embutición que le practi-

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ca el primer hueco, con lo que alcanza los 4 metros. A continuación se le trepana y comienza a alargar apreciablemente. El tercer paso es el laminado de paso de peregrino en el cual, mediante la acción conjunta de un laminador y un mandril, se consiguen las dimensiones finales, de unos 20 metros de longitud y espesor variable.

FIGURA 1.21

Se denomina de paso de peregrino porque el cilindro laminador no es continuo, imprime dos movimientos de avance después de los cuales la pieza retrocede el equivalente a la mitad de lo avanzado y se repite el ciclo hasta que todo el proceso termina; por otra parte, el rodillo de conformado no tiene una sección cilíndrica sino parabólica lo que implica un esfuerzo de compresión adicional, similar al de un forjado.

FIGURA 1.22


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Como se desprende de los esquemas representados, al aparecer un horno en el primer paso del proceso es que se habla de laminado en caliente o semicaliente, es decir temperaturas homólogas tales que 0,4 TH 0,87; pero el laminado puede realizarse, al igual que otros tipos de conformado, en frío. El laminado en frío no puede producir afino de grano ni endurecimiento por precipitación, pero si un cambio en la textura del material y un endurecimiento por deformación, alargamiento de grano, y una acritud que puede ser eliminada, si se desea, mediante un adecuado recocido que devuelva su morfología anterior al grano alargado resultante. Es de destacar que el laminado en frío proporciona al material un excelente estado superficial, así como una geometría ajustada y una estructura homogénea.

1.4.1. Laminación controlada La laminación controlada supone un cambio cualitativo en los procesos de laminación, ya que alcanza un nivel superior del proceso y unos resultados en los que se empieza a comprender y aplicar los principios básicos de la física involucrada en el conformado plástico. El laminado, como proceso de conformado, había transformado el acero y le había capacitado para ser un material estructural económico y fiable, realizado de forma mecánica y empírica. En 1924, Arrowsmith señaló las ventajas del afino de grano en el laminado de materiales, Hanemann y Lucke en 1925 lo relacionaron con los procesos de recristalización posteriores a la deformación en caliente y comprobaron que estos procesos producen un afino del grano cuando se disminuye la temperatura de deformación en la región o . En 1947, Barr y Tipper, demostraron la relación entre la transición dúctil frágil y el tamaño de grano, lo que corroboró los efectos beneficiosos que la laminación controlada ejerce sobre las propiedades mecánicas del acero. Se sucedieron estudios en los que había un factor común, el laminado en caliente se realizaba a temperaturas muy altas para conseguir una mayor ductilidad y menor deterioro de las instalaciones, tan solo los últimos pasos se realizaban a una temperatura inferior, pero su grado de deformación implicaba que no existían procesos de recristalización. A su vez, se desprendía de todos los estudios la correlación entre el proceso de recristalización y el afino de grano, consecuente con las propiedades tenaces del material laminado, pero todavía hasta ese momento había estudios discrepantes y no estaban consolidadas las características o propiedades físicas que determinaban los procesos involucrados. No fue hasta la segunda guerra mundial cuando se sistematizó y consolidó la aplicación de temperaturas inferiores a las que hasta en ese

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momento se utilizaron en laminación. Se produjeron accidentes debidos a grietas aparecidas en embarcaciones construidas con nuevas y más rápidas técnicas. En los navíos tipo Liberty, se descubrió que las fisuras, aparentemente no motivadas por defectos de cálculo ni del material, se debían a un comportamiento frágil del acero laminado y a la fatiga del mismo. Para minimizar este problema se incrementó el contenido en aluminio y la relación manganeso-carbono. A su vez se sistematizó el uso de temperaturas mas bajas de laminado, observándose que los mejores resultados se conseguían laminando en el límite, justo por encima de la temperatura A r3. Este tipo de laminación es muy similar a lo que ahora se denomina laminación controlada. En efecto, el principal objetivo de la laminación controlada es afinar el tamaño de grano del producto final y así obtener mejoras en la tenacidad y en la resistencia del mismo. El proceso de laminación controlada consta de tres fases: — Deformación en la zona de altas temperaturas y recristalización rápida. — Deformación en la zona de no recristalización en un rango pequeño de temperaturas por encima de A r3. — Deformación en la zona . La deformación en la zona de no recristalización es importante porque introduce bandas de deformación en el grano austenítico. La deformación en la zona ferrítico-austenítica () proporciona estructuras mixtas que consisten en granos equiáxicos y subgranos. La diferencia fundamental entre la laminación controlada y la tradicional está en el hecho de que en la tradicional la nucleación de la ferrita ocurre exclusivamente en las fronteras de grano, mientras que en la controlada tiene lugar sobre todo en el interior de los granos a partir de los subgranos originados por la deformación, consecuencia de los mecanismos de recristalización dinámica; estos subgranos se transforman en granos cuyo tamaño es muy inferior a los originales e independiente de los mismos. Como los aspectos fundamentales de la laminación controlada se refieren al comportamiento frente a la recristalización de la austenita y al posible retardo en cuanto a tiempo y temperatura de la misma, se ha tenido que revisar toda la teoría que define los cambios estructurales que la acompañan. La consecuencia más clara ha sido redefinir el papel de los elementos aleantes en las propiedades finales y la introducción de nuevos microaleantes tales como niobio, vanadio y titanio que controlan la temperatura de recristalización, el crecimiento de grano y, tal como se ha comentado anteriormente, producen endurecimiento por precipitación. En

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definitiva, mejor tenacidad y una resistencia superior a la esperada. En la figura 1.23 se esquematiza el desarrollo microestructural que tiene lugar durante el proceso de laminación controlada, según T. Tanaka.

FIGURA 1.23

1.5. EXTRUSIÓN Se trata de un proceso de conformado muy utilizado para materiales termoplásticos, los cuales sufren una elevación de la temperatura y mediante un embolo son obligados a pasar a través de una boca que determina su forma. La extrusión puede ser inversa, de forma que el embolo presiona el material sobre un fondo rígido, haciéndolo fluir en sentido

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contrario al desplazamiento del pistón por los espacios libres que se han practicado entre este y el contenedor o puede ser directa, de forma que el material fluya a través del mismo. Uno de los pasos de forja se puede asimilar a una extrusión inversa. En la figura 1.24 se presentan los esquemas de ambos tipos de extrusión, el de la parte superior corresponde a la extrusión directa, en la que el tocho empujado por el émbolo fluye a través de la matriz, mientras que en el caso de la extrusión inversa, que se presenta en la parte inferior, el material fluye por el interior del émbolo que presiona el material contra la placa de cierre.

FIGURA 1.24

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El flujo del material sometido a extrusión puede ser simulado mediante sustancias plásticas, por ejemplo plastilina, lo que permite estudiar las zonas de máxima deformación real que son aquellas en las que con más probabilidad pueden aparecer grietas. En la figura 1.25 se ha marcado una cuadrícula en una pieza plástica con el objeto de estudiar la evolución de su geometría y las tensiones generadas. En los esquemas (a, b y c) se pueden apreciar la deformación progresiva que genera una extrusión directa, mientras que en el (d) se observa el cambio en las líneas de equilibrio que produce la extrusión inversa, correspondiente al flujo interior.

FIGURA 1.25

1.6. EMBUTICIÓN Se trata de un método de conformado en el que un punzón actúa sobre el material para asimilar su forma a la de una matriz; ambos, punzón y matriz, determinan la forma de la pieza. Un ejemplo sencillo de este proceso se esquematiza en la figura 1.26, de forma que un punzón cilíndrico presiona sobre una chapa, obligándola a adoptar la forma de copa cilíndrica. Las diferentes formas de aplicar el punzón o émbolo sobre el material dan nombre a otros tantos tipos de embutición. En todos ellos se debe tener un cuidado extremo en el diseño de las dos piezas básicas del proceso de embutición, o sea el punzón y el soporte, ya que el cambio de forma, a veces muy acentuado, implica una variación del espesor y el peligro

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de que aparezcan pliegues e incluso grietas en las zonas que experimentan un mayor grado de solicitación.

FIGURA 1.26

Los parámetros más destacados en la embutición son: el cociente entre los diámetros iniciales y finales; el espesor final y la velocidad de deformación. Si se considera el proceso de obtención de una copa cilíndrica a partir de una chapa, el primer coeficiente a considerar es el dado por el cociente de los diámetros inicial y final 1/ 2 K, así como el espesor final de la pieza «e»; siendo una frontera para diferenciar los procesos de embutición, la definida por el valor 1 2 20 e, ya que a partir de este valor es necesario utilizar dispositivos especiales de control para el punzón que eviten las diferencias de espesor. Las velocidades de deformación en el proceso de embutición no pueden ser muy elevadas ya que pueden producir gripados del émbolo y rupturas en la capa de lubricante existente entre el punzón y el material. En general, la velocidad del émbolo, que como se explicó anteriormente no se debe confundir con la velocidad de deformación, oscila entre los 30 m/min para aleaciones no férreas, 25 m/min en los aceros no aleados y 15 m/min en los aceros inoxidables; siendo, en general, inferior a 10 m/min en toda embutición profunda. Un aspecto muy importante de la embutición es el material con el que se fabrica el punzón, ya que su forma debe mantenerse constante dentro de márgenes muy estrictos, puesto que está sometido a esfuerzos muy elevados; por lo que debe tener unas características bien definidas de resistencia a la tracción, límite elástico, dureza, y resistencia al desgaste. La embutición

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es un proceso de conformado relativamente lento que produce deformaciones muy elevadas y por tanto, resulta muy adecuado para obtener piezas de geometría complicada, algunas de las cuales se muestran en la figura 1.27.

FIGURA 1.27

1.7. TREFILADO Se trata de un método de conformado en frío o a una temperatura suficientemente baja como para que pueda ser estirado, mediante el cual se reduce la sección de un producto cilíndrico al hacerlo pasar por una boca, cuya entrada tiene el diámetro del material original y la salida el diámetro deseado. Cuando se quiere conseguir un producto perforado se simultanea el paso forzado por la boca con el uso de un mandril. Los parámetros más significativos de este método son la tasa de alargamiento y la existencia de lubricación; generalmente se proporciona un tratamiento superficial tipo fosfatación, seguido de un lubricante lí-

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quido o sólido. Las dimensiones finales se pueden obtener con una sola pasada o bien con sucesivas de boca decreciente, aplicándose indistintamente a materiales férreos y no férreos. En la figura 1.28 se muestra el esquema de una boca de ataque de una trefiladora de grandes dimensiones, en la que se encuentran la campana con un determinado ángulo de ataque, la carcasa de acero y la extremidad de carburo en la salida; mientras que en la figura 1.29 se puede observar un esquema de las instalaciones necesarias para desarrollar el proceso de trefilado, que como se puede observar se fundamentan en la matriz, con su soporte, y el estirador, dotado de la necesaria mordaza, que alarga el material a trefilar la longitud que sea precisa.

FIGURA 1.28

FIGURA 1.29


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Una variante del trefilado es el estirado, que difiere del anterior en que la sección del producto puede no ser circular.

1.8. PLEGADO Es un proceso de conformado que se aplica a productos planos a los que se somete a una flexión localizada en la que es necesario considerar la longitud del plegado, ángulo, radio, espesor y longitud desarrollada. En todo plegado se debe tener en cuenta que hay una zona sometida a flexotracción en la que las fibras se alargan y otra zona sometida a compresión, la interior, en la cual las fibras se acortan, existiendo un plano que no sufre variación dimensional denominado plano neutro. Si se considera una sección normal, en lugar del plano neutro se tiene la fibra neutra que sirve de referencia para establecer la longitud de la chapa que interviene en la realización de un pliegue. Se puede admitir, con buena aproximación, que cuando el cociente entre el radio de pliegue y el espesor de la chapa es inferior o igual a tres, la fibra neutra se sitúa a una distancia de 0,3 o 0,4 veces el espesor a partir del interior; para relaciones mayores la fibra neutra tiende a situarse en la mitad del espesor. Existe un radio mínimo de plegado a partir del cual pueden aparecer grietas e incluso la rotura del material, dependiendo de la naturaleza del mismo, de la anisotropía, del ángulo de plegado, de la longitud y del espesor.

1.9. CONFORMADO DE MATERIALES METÁLICOS EN ESTADO SEMISÓLIDO (TIXOCONFORMADO) 1.9.1. Introducción El conformado semisólido es un método de fabricación híbrido que incorpora, tanto elementos de colada como de forja. Hoy en día se considera como tal, un proceso de dos pasos para conformar con alta precisión componentes metálicos, utilizando materia prima en forma semisólida, la cual presenta una microestructura no-dendrítica, sino microglobular, que confiere al material una naturaleza tixotrópica. Se considera un material tixotrópico cuando se comporta como un fluido no newtoniano, es decir un fluido cuya viscosidad depende de los

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esfuerzos a los que se le someta y del grado de agitación que experimenten sus moléculas. Por eso, cuando se agita es más fluido y cuando vuelve al estado de reposo adquiere rigidez. Las propiedades tixotrópicas permiten que el material pueda ser manipulado mediante mecanismos automatizados en su estado semisólido, facilitando la automatización y el control de precisión del proceso y por lo tanto, el incremento de la producción. En la figura 1.30 se presenta una micrografía en la que se puede observar la microestructura globular de partículas sólidas equiáxicas, distribuidas en el interior de la antigua matriz de líquido eutéctico, obtenida mediante agitación continua durante su solidificación en la colada de una aleación de aluminio semisólido.

FIGURA 1.30

La principal actividad comercial, en cuanto al conformado semisólido se refiere, se centra en la forja semisólida de una gran variedad de com-


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ponentes de aleaciones de aluminio para aplicaciones militares, aerospaciales y del sector de la automoción. Existe también una significativa producción de aleaciones de cobre para usos eléctricos. Además, se ha comprobado la validez de la tecnología del conformado semisólido para la mayoría de familias de aleaciones tecnológicas, incluido cinc, magnesio, cobre, ferroaleaciones, titanio y superaleaciones. La obtención de la microestructura no-dendrítica, así como el desarrollo de los procesos iniciales, están protegidos por una serie de patentes que comienzan con la de M. C. Flemings, patentes que han ido aumentando en número a medida que la utilización de esta tecnología ha crecido de forma considerable. El conformado semisólido ha alcanzado tal estado de desarrollo que ya se está utilizando para la producción de muchos componentes, que remplazan así a los de forja tradicional y a los de fundición.

1.9.2. Consideraciones generales El conformado semisólido está basado en un descubrimiento realizado en el MIT, Instituto Tecnológico de Massachussets, a principios de los 70. Los investigadores descubrieron que si una aleación de metal era agitada suficientemente durante su solidificación, se conseguía una microestructura globular, equiaxial, en lugar de la microestructura dendrítica que se forma en ausencia de cualquier agitación, tal y como se observa en la figura 1.31, en la que se aprecia la diferencia entre las microestructuras de una aleación de aluminio 357 (Al-7,0 Si-0,5Mg). En la izquierda se presenta la correspondiente a la colada convencional y por tanto dendrítica, mientras que la de la derecha corresponde a la conformada en semisólido, o sea la no-dendrítica; en ambos casos las micrografías se han realizado a 200 aumentos. Las aleaciones semisólidas exhiben un comportamiento viscoso tixotrópico, esto es que al ser sometidas a la acción de una fuerza de cortadura, la aleación empieza a mostrar características de flujo similares a los fluidos de alta viscosidad, tales como los aceites de uso en maquinaria. Se ha comprobado, así mismo, que la microestructura no-dendrítica se conserva después de ciclos térmicos que incluyen hasta el temple. Esto significa que la materia prima con estructura no-dendrítica puede prepararse en una instalación y ser transportada en estado sólido a otra instalación en la que se calienta hasta alcanzar el volumen de fracción de sólido requerido; la palanquilla puede ser manipulada como si estuviera

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en estado sólido, y solamente al ser sometida a fuerzas de cortadura durante el proceso de forja adoptará el comportamiento de un líquido de alta viscosidad.

FIGURA 1.31

La aleación semisólida se deforma a presiones muy bajas y fluye de una forma muy homogénea, dando como resultado una estructura fina y uniforme, virtualmente libre de porosidades; además se le puede proporcionar un tratamiento térmico para conferir propiedades mecánicas superiores a las de fundición. La colada semisólida, en principio de aleaciones de aluminio, se extendió inmediatamente a aleaciones base cobre y base hierro, siendo todas ellas viables en términos económicos, debido a que si el material es conformado en el estado semisólido necesita de unas temperaturas menores que si estuviera en estado líquido, de forma que la magnitud de los ciclos térmicos impuestos a los útiles se reduce y la vida de la matriz se prolonga. La forja en estado semisólido, comenzó a comercializarse en 1981. No fue hasta 1985, cuando se prestó mayor atención a su aplicación en las aleaciones de aluminio, fue ese año en el que ALUMAX, una empresa especializada en la extrusión de aluminio, adquirió el conocimiento básico y varios derechos de patentes que la permitieron cubrir, tanto la colada magneto-hidrodinámica (MHD) de palanquillas para la producción de materia prima, como la producción de componentes mediante conformado semisólido, SSF (Semisolid Forging).

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1.9.3. Desarrollo del proceso de conformado en estado semisólido El proceso de conformado en el estado semisólido requiere que el metal o aleación tenga una microestructura esferoidal y de grano fino al entrar en la matriz. Existen dos formas de conseguirlo: — Rheocasting: es un procedimiento que permite que el mortero se origine en un mezclador y se lleve directamente a la matriz. — Forja semisólida: procedimiento por el cual el lingote se cuela en un molde provisto de un mezclador, en el que se origina la microestructura esferoidal durante la colada y se almacena para su uso posterior, cortándose de la palanquilla la cantidad necesaria, recalentándose hasta el estado semisólido y conformándose en la matriz. La palanquilla se suele forjar cuando el 30 o el 40% es líquido. En la figura 1.32 se presenta el esquema de un proceso típico de conformado semisólido con su secuencia completa: producción de materia prima no-dendrítica, recalentamiento de los tacos y forja semisólida, que como se puede observar es una combinación de inyección y moldeo.

FIGURA 1.32

Ha habido diferentes intentos, tanto en los Estados Unidos de Norteamerica como en Europa, de comercializar el rheocasting, pero ninguno de ellos ha sido viable; mientras que la forja en estado semisólido, que explota las ventajas de las barras de aleaciones tixotrópicas, ya comenzó a utilizarse en 1981, lográndose la comercialización de la producción de

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materia prima y la utilización de componentes forjadas en estado semisólido, fundamentalmente en los sectores aerospacial, de automoción, industrial y militar. La materia prima necesaria para el conformado metálico semisólido requiere de la microestructura mostrada anteriormente en la figura 1.30. En estado semisólido, esta estructura consta de partículas sólidas en forma globular o esferoidal suspendidas en una matriz liquida de aleación de menor punto de fusión.

1.9.3.1. Colada magneto-hidrodinámica (MHD) La aplicación industrial del conformado semisólido de componentes metálicos utilizados en aplicaciones militares, sector automoción u otras aplicaciones de alta calidad y seguridad crítica, demandan integridad de los materiales. Las especificaciones mínimas requieren que se equiparen a las exigidas a los componentes colados y forjados convencionalmente.

FIGURA 1.33


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El método MHD se desarrolló para alcanzar tales especificaciones, utilizando equipos que permitieron la exclusión de gases, óxidos e inclusiones no metálicas y evitando también otras discontinuidades. Además, se demostró que hay una relación importante entre la velocidad de corte por agitación y la velocidad de solidificación, determinando el tipo de microestructura del conformado semisólido que se genera. El metal, una vez cerca del punto de solidificación en el molde, se agita vigorosamente mediante un campo dinámico electromagnético para dar lugar a la microestructura globular, tal y como se presenta en el esquema de la figura 1.33. Al mismo tiempo se produce una transferencia de calor, controlado por conducción a través de la pared del molde, hacia una camisa de agua que favorece el inicio de la solidificación. Hoy en día, los sistemas de colada MHD están implantados en las principales fábricas de aluminio, tanto en la colada continua vertical como en la horizontal, produciendo aleaciones de aluminio semisólido, que una vez conformadas, proporcionan una amplia variedad de tamaño de grano, que van desde 38 a 152 nm de diámetro.

1.9.3.2. Control del proceso de colada El proceso de colada MHD ha sido desarrollado para producir palanquillas de aluminio adecuadas para la forja semisólida a velocidades competitivas, obligando a que la microestructura resultante sea no-dendrítica y se encuentre libre de óxidos, inclusiones no metálicas y gases. Otras variables de colada son: — Química de fusión: análoga a cualquier proceso que tiene lugar a elevadas temperaturas, en el que los diagramas de equilibrio entre componentes deben ser estudiados y aplicados. — Temperatura de fusión: si en cualquier proceso de conformado, la temperatura a la que se lleva a cabo determina su calidad, rentabilidad y viabilidad, en un proceso caracterizado por realizarse en los límites sólido-líquido se deben controlar de forma más precisa sus condiciones térmicas, ya que la microestructura que define la tixotropía depende directamente de las mismas. — Velocidad de flujo del metal: como ya se ha visto, la tixotropía se caracteriza porque la fluidez del metal líquido es función de la agitación del material, es por ello que la velocidad de flujo debe supeditarse a la constancia de la viscosidad del material.

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— Temperatura y velocidad de flujo del refrigerante y del lubricante: son parámetros, que junto con los anteriores, permiten mantener las condiciones de fluidez y microestructura propias del metal tixotrópico. — Desgaseado y técnica de filtraje MHD: son controles que permiten obtener un producto libre de poros e inclusiones. Los poros e inclusiones son más difíciles de evitar en este proceso, por lo que se deben extremar las precauciones en los procesos de desgasificación y filtrado de impurezas. — Conductividad térmica del molde: es el punto de unión con las técnicas de conformado por moldeo, que como se verá en el apartado correspondiente al moldeo, la conductividad térmica del molde determinará la velocidad de enfriamiento y, en consecuencia, la estructura final del material e incluso su forma.

1.9.3.3. Proceso de deformación El conformado de metal semisólido es un proceso de tres pasos que puede seguirse, de forma esquemática, observando la figura 1.34. En primer lugar, se corta la palanquilla en las dimensiones deseadas. En segundo lugar, el trozo de palanquilla cortado, denominado taco, se recalienta hasta las condiciones de semisólido buscadas. En último lugar, se coloca el taco en la matriz, forjándose a continuación y así proporcionar la pieza deseada. Los elementos críticos del proceso son la prensa de forja, las matrices, la materia prima y el método de calentamiento.

FIGURA 1.34

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En la figura 1.35 se compara la microestructura del MHD recién colado, mediante la micrografía de la izquierda, con la correspondiente a probetas de aleación de aluminio 357 una vez que se han forjado, micrografía de la derecha; pudiendo comprobarse la mayor homogeneidad del MHD, siendo el afino del grano similar en ambos.

FIGURA 1.35

Prensa de forja Las prensas de forja pueden variar, pero la habilidad para controlar con precisión, tanto la velocidad de conformado como la presión es fundamental, si se quiere utilizar la prensa para forjar componentes semisólidos. Dependiendo del tamaño del componente, geometría, aleación y calidad especificada, las velocidades de conformado pueden variar desde los pocos centímetros por segundo, hasta superar los cientos y las presiones de moldeo desde unos 14 kg hasta los 1.400 kg.

Matriz de forja Las matrices para la producción de componentes de aluminio se fabrican normalmente de acero para herramientas AISI H13, endurecido y embutido hasta alcanzar la dureza adecuada. Las tolerancias permitidas y la contracción sufrida son aproximadamente las mismas que en el moldeo por inyección. Se aconseja el pulido para mejorar el flujo del metal, para facilitar la eyección de los componentes y para optimizar la calidad superficial. El cuidado en el diseño y en la fabricación de los útiles son críticos para el proceso de forja.

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Materia prima La materia prima consiste en la palanquilla MHD cortada en una longitud tal, que provea la masa necesaria para fabricar la pieza. El tamaño del taco se determina por el peso del componente que se quiera conformar. Los diámetros de palanquilla MHD que son comerciales varían en un rango que va desde los 40 hasta los 150 mm. Relaciones de 1 y 2 entre la longitud del taco y su diámetro son más fáciles de calentar y manejar, aunque también se utilizan tacos de longitudes diferentes. Calentamiento del taco MHD Para calentar los tacos pueden utilizarse una amplia variedad de métodos. La selección del método depende de la aleación, los costes de las diferentes formas de energía y los niveles de control de calentamiento requeridos. Los hornos que pueden emplearse van desde hornos eléctricos de calentamiento por convección o radiación, hasta hornos de gas y de inducción, variando ampliamente los requerimientos de tiempo y energía en función de la aleación y del tamaño del taco. La uniformidad de las condiciones del taco, en cuanto a su calentamiento y a la fracción sólida, desde la superficie al núcleo, de abajo a arriba y de taco a taco es esencial para la correcta producción de componentes.

FIGURA 1.36


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Como se puede constatar al observar la figura 1.36, la energía necesaria para calentar aleaciones de aluminio para moldeo, despreciando pérdidas, es un 35% mayor que la energía necesaria para calentar la misma aleación de aluminio hasta el estado previo a su forja semisólida. Conformado del componente La secuencia actual de forja se completa en unas pocas décimas de segundo. El flujo de material comienza con el impacto del punzón en el taco y dada la naturaleza tixotrópica del taco MHD permite que el metal fluya en la cavidad a presiones muy bajas. Solamente al final del golpe de forja la presión aumenta hasta el nivel seleccionado para conformar el componente totalmente denso. El tiempo de mantenimiento bajo presión depende de la aleación y de las dimensiones del componente y es, normalmente, de una duración de pocos segundos, ya que la transferencia de calor a la matriz a presión elevada es extremadamente eficiente. Al terminar el ciclo de conformado se abren las matrices y se expulsa el componente acabado. Hoy en día, los sistemas de forja semisólida están totalmente automatizados, conformando componentes con un peso que va desde los 20 g hasta los 13,6 kg con unos rangos de velocidad de producción que van desde los 360 hasta los 120 componentes por hora, respectivamente. Todos los componentes de aluminio, forjados en semisólido, se tratan térmicamente mediante el enfriamiento desde la temperatura del proceso de conformado bien mediante envejecimiento artificial, normalizado, o el bonificado. Aunque muchos componentes alcanzan las especificaciones con tratamientos menos costosos que el normalizado, esto se debe a una de las características propias de la forja semisólida, el rápido temple que el componente recibe al contacto con la matriz en la operación de forja. Cuando el componente de aluminio forjado en semisólido sale de la matriz, lo hace normalmente entre los 205 y los 425°C.

1.9.4.

Aplicaciones

Las ventajas de la forja semisólida le han permitido competir con eficacia frente a una gran variedad de procesos convencionales en diferentes sectores. Se presentan en las figuras 1.37 y 1.38 algunos componentes realizados en forja semisólida en los sectores de automoción, aerospacial y de aplicación industrial. En la figura 1.37 se muestran

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válvulas de freno hidráulico de aluminio y en la 1.38 componentes electrónicos de aluminio, cuerpos de válvula de acero inoxidable y componentes de latón que fueron moldeados por inyección a partir de tacos recalentados. La forja semisólida ha reemplazado a toda una serie de procesos entre los que se encuentran la forja convencional, el moldeo en coquilla, el moldeo a la cera perdida, y en algunas circunstancias el moldeo por inyección y el estampado. Sus aplicaciones incluyen llantas de automóvil, pistones, carcasa de compresor, cuerpo del cilindro de freno, horquillas de disco de freno, componentes mecánicos de la columna de dirección, alojamientos del airbag, conectores eléctricos y distintas carcasas y recubrimientos que requieren de una integridad crítica.

FIGURA 1.37

FIGURA 1.38

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Aplicaciones en el sector de automoción La forja semisólida ha producido una amplia variedad de componentes de automoción que van, desde componentes de pocos gramos de peso, hasta la docena de kilogramos. Los componentes que se fabrican pueden englobarse en dos categorías generales: — Contenedores de presión y/o fluido. — Componentes estructurales. En la figura 1.39 se presentan algunos ejemplos pertenecientes al primer grupo, que incluyen cuerpos del cilindro del freno y guías de conducción del combustible. Entre los componentes estructurales fabricados actualmente se incluyen elementos, tanto del motor como de la suspensión de vehículos.

FIGURA 1.39

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Un ejemplo claro del desarrollo del conformado semisólido en este campo se muestra en la figura 1.40. Tradicionalmente, las llantas de automóvil se han fabricado mediante moldeo en coquilla, gravedad y baja presión o forja líquida, pero recientemente se ha comenzado a fabricar por medio de forja semisólida.

FIGURA 1.40

En la tabla 1.1 se comparan las características de las llantas de automóvil producidas por forja semisólida y por moldeo en coquilla. En ella se puede comprobar las ventajas técnicas del producto tixoformado, tanto en peso como en características mecánicas y, sobre todo, en la capacidad de producción. Proceso

Forja semisólida Moldeo

Peso pieza desmoldeada (N)

Peso pieza Piezas/ Aluminio acabada hora tipo (N)

Resistencia a tracción (MPa)

Límite Alargamiento elástico a rotura (MPa) (%)

75

61

90

357

290

214

10

111

86

12

356

221

152

8

TABLA 1.1


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Además de la ventaja económica, la forja semisólida ofrece ventajas de otro tipo: — Menor peso: son hasta un 30% más ligeras que las moldeadas por otros métodos, debido a su facilidad para formar secciones más delgadas. — Calidad consistente: debido a que la estructura metalúrgica de la palanquilla está controlada, ya que se suministra una materia prima extremadamente consistente. Además, el proceso de conformado de la llanta se encuentra automatizado y controlado por ordenador. — Estructura y propiedades: la llanta forjada en semisólido es de grano fino y está conformada en máquinas de precisión en las que la temperatura está controlada con el fin de asegurar unas condiciones óptimas de forja. Al contrario de lo que ocurre en la forja convencional, las propiedades de la llanta son isotrópicas, reflejo de la estructura no-dendrítica de la aleación de aluminio 357 de altas prestaciones que se emplea en la palanquilla. — Versatilidad de diseño: la posibilidad de formar secciones más delgadas permite no sólo la reducción del peso de la llanta, sino que también da lugar a que el diseñador trabaje en detalles más finos, mejorando así su estilo. Solo recientemente, los sistemas de suspensión en el automóvil han sido objeto de estudio en cuanto a las aleaciones de aluminio se refiere, ya que inicialmente, solo los componentes de aluminio forjado o extruido eran considerados como válidos para fabricar los elementos de suspensión de seguridad crítica. Sin embargo, la limitada capacidad de precisión, así como el alto coste de los procesos habían minimizado su aplicación. La alta precisión del proceso del Alumax SSF permite obtener componentes que satisfacen, tanto los requerimientos estructurales como los de acabado. Así, el Alumax SSF ha sido seleccionado para fabricar todos los componentes de la suspensión del Plymouth Prowler de Chrysler, así como para fabricar una serie de componentes de su motor, totalizando más de 40 kg de componentes realizados mediante el conformado semisólido.

Otras aplicaciones Las aplicaciones en otros sectores son cada vez más numerosas, en la figura 1.41 se muestran conectores eléctricos destinados a instalaciones militares y aeroespaciales. Los conectores eléctricos de uso militar y ae-

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rospacial están sometidos a grandes tensiones en servicio, por lo tanto, la calificación de estos componentes exige de unas pruebas de funcionalidad tan extensas como severas en distintas condiciones ambientales. Con anterioridad a la forja semisólida, estos componentes se mecanizaban a partir de barras de aleación de aluminio 6262-T9 extruidas. Hoy en día, una gran cantidad de estos componentes se forjan en semisólido a partir de barras SIMA 6262, mecanizados con posterioridad a sufrir un tratamiento térmico T6. Los ahorros de material, además de los elevados ratios de producción, hacen de los componentes de forja semisólida una elección muy económica.

FIGURA 1.41

1.9.5. Consideraciones finales Las dos ventajas claves de la producción mediante forja semisólida son, en primer lugar, el grado de automatización que puede lograrse en el manejo del material, así como en el calentamiento durante las operaciones de forja y, en segundo lugar, la precisión que se hace rutinaria mediante el control del proceso. En definitiva, se puede asegurar que: — El control de la precisión y la automatización conllevan al logro de una perfecta reproducibilidad. — Temperaturas menores y tiempos de mantenimiento más bajos deparan una mayor vida de la matriz.


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— Menores ciclos del proceso y su automatización dan lugar a una mayor productividad. — El flujo de fluido que llena la cavidad de la matriz, a una elevada presión final, permite el llenado de secciones más delgadas y el conformado de componentes más ligeros. — Matrices de acero de precisión producen componentes de elevado nivel de precisión, lo que hace prácticamente innecesario su mecanizado. — El calentamiento semisólido requiere únicamente el 65% de la energía necesaria para el moldeo. — Su aplicación a una amplia gama de aleaciones conlleva un mayor campo de utilización de los componentes. — La carga semisólida produce menos contracción líquido/sólido y en consecuencia, menor microporosidad. — El flujo laminar en la matriz excluye el atrape de gases y por lo tanto la formación de porosidad. — El rápido temple en la prensa evita tratamientos costosos para la obtención de mejores propiedades. Entre las limitaciones se encuentran los siguientes aspectos: — Materia prima que requiere una preparación especial. — Mayores costos en la fabricación de la materia prima. — Menos fuentes para la obtención de materia prima. — Se requieren útiles caros y de diseño especial, equipos especiales y costosos y por último, mano de obra altamente cualificada. En resumen, se trata de un proceso de gran cualificación, desde el primer eslabón de la cadena; tanto la materia prima empleada como la preparación para ser procesada, requieren de una elevada calidad y de una preparación específica que repercute en los costes de la pieza final; por lo tanto, solo se puede aplicar a piezas de gran valor añadido o bien a las que requieren unas condiciones de calidad muy estrictas.

1.10. CONFORMADO POR MOLDEO El conformado de materiales, desde los primeros atisbos de la civilización tecnológica, ha procurado adecuarlos a los diferentes usos o ne-

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cesidades de la forma mejor y más rápida. El camino recorrido, desde la primera piedra pulimentada o rama aguzada y endurecida, ha sido arduo y lleno de vaivenes que permitían retomar procedimientos considerados obsoletos, cuando en realidad tan solo habían alcanzado unos límites impuestos por los medios disponibles en cada momento. El conformado por moldeo se ha utilizado desde tiempo inmemorial para la fabricación de piezas, ya que en muchos casos, supone el camino más corto desde el material en bruto hasta el producto terminado, cumpliendo las principales exigencias sobre el diseño de todo tipo de elementos. ¿A qué se llama conformado por moldeo? La respuesta es obvia, aquel que requiere de un molde, recipiente con la forma necesaria para que la pieza final sea la deseada; que posea las características idóneas para que el material fluya ocupando cada resquicio del mismo; que presente una resistencia mecánica y térmica que no altere la forma prevista y alcance una vida útil razonable y que disponga de los dispositivos adecuados para poder separar la pieza sin que se produzcan daños. La tecnología del moldeo y su viabilidad han transcurrido, por tanto, íntimamente relacionadas con la existencia o evolución de los moldes. El problema principal de las piezas conformadas por moldeo reside en la práctica imposibilidad de eliminar defectos inherentes al proceso, tales como poros, segregaciones o estructuras de grano dendrítico que se producen a lo largo del enfriamiento. Estos defectos que, en gran medida, se eliminan con laminado o forja posterior hacen que el moldeo haya visto restringida su aplicación a piezas que van a estar sometidas a solicitaciones de compresión, o bien van a ser utilizadas como ornamento, aunque también se han ido desarrollando distintas técnicas con el fin de reducir estos defectos. Entre las ventajas de las piezas moldeadas se encuentran la precisión de las medidas superficiales lo que implica menores costos de limpieza y mecanizado; además, si el mecanizado fuera necesario, poseen una excelente maquinabildad y responden bien al tratamiento superficial.

1.10.1. Tipos de conformado por moldeo Se pueden distinguir dos grandes grupos, como son los que se conocen como fundiciones en arena y los que tienen lugar en moldes permanentes, que a su vez se dividen en los que la fundición tiene lugar en coquilla y aquellos en los que la fundición es inyectada, sin olvidar los que utilizan algún procedimiento especial.


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Fundición en arena Es la forma de moldeo más antigua, el molde se construye en arena con ayuda de un modelo, pieza negativa del mismo, lo que exige costes relativamente bajos y permite modificaciones eventuales de la forma de la pieza fundida sin necesidad de mucho trabajo; por otra parte se tiene que el elevado punto de fusión de la arena le hace resistente a las temperaturas de casi cualquier material fundido. Teniendo en cuenta la granulometría de la arena y su relativa rigidez, la ausencia de desmoronamientos locales, y naturalmente, solucionando los diferentes aspectos de la estructura del molde, tales como conductos apropiados para la eliminación de la materia sobrante, grosor de las paredes para no tener diferencias excesivas en la velocidad de enfriamiento; el moldeo en arena es muy apropiado para piezas aisladas, de gran tamaño y muy complejas, debiendo tener presente que materiales tales como hierro, aluminio, bronce, presentan diferentes comportamientos de contracción durante el enfriamiento. Se debe hacer notar que este tipo de moldeo, en arena, es más utilizado para metales de alta densidad y punto de fusión, como son por ejemplo el hierro, 1.535°C y el cobre, 1083°C; mientras que para materiales como aluminio, 660°C, se utiliza la técnica de moldes permanentes. Sin embargo, siguen teniendo importancia las partes destructibles del molde, como son los machos de arena, que constituyen los receptores base para moldear; bebederos, canales verticales que unen el exterior con el molde, disponiendo de una boca de llenado donde se acumula el metal conforme se cuela de la cuchara, y alimentadores, constituidos por aberturas que conectan el corredor de colada con la cavidad del molde, ya que se utilizan todavia en los procedimientos de colada en coquilla. Entre los materiales utilizados para moldes se deben distinguir entre los naturales y los sintéticos, entendiéndose como materiales naturales aquellos que existen en la naturaleza, como puede ser la mezcla de arena de cuarzo y arcilla (10-25%) y que son utilizados después de prepararlos convenientemente sin otro aglutinante. En la práctica, existen diferencias entre la arena nueva recién extraída del yacimiento y la arena vieja, mezcla de arena nueva y usada. Es muy importante la preparación de la arena, mezcla idónea, desmenuzado, eliminación de polvo y de restos de usos anteriores, así como la adecuada adición de agua. Los materiales sintéticos están formados por mezclas de arena de cuarzo, que constituyen el soporte básico, a las que se añaden aglutinantes orgánicos e inorgánicos. Para fines especiales se utilizan, también, arenas de zirconio o cromita así como granulado fino de acero para metales de inferior temperatura de fusión. Estas mezclas presentan una mayor capacidad de enfria-

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miento que la arena de cuarzo, lo que permite dirigir la solidificación, especialmente la de los machos. La gran ventaja de los materiales sintéticos frente a los naturales es la constancia en la composición y en sus propiedades. Una última diferencia es la existente entre las características de las arenas para machos que deben poseer una permeabilidad más elevada que la arena para moldes. El siguiente elemento a considerar en el moldeo en arena es la preparación del modelo. En primer lugar deben estar limpios y lisos ya que cada defecto se transfiere a la pieza, determinando los materiales utilizados para su confección por criterios económicos y técnicos, utilizándose maderas, yesos, plásticos, metales, y últimamente, tomando la idea clásica de modelo perdido, sustancias que no son necesarias retirar para colar el metal, por ejemplo poliestireno que se volatiliza al añadir el líquido metálico. La fabricación de machos es un aspecto especialmente importante en el moldeo de aluminio, tanto en arena como en coquilla; pero no hay que desdeñarlos en otro tipo de metales. El criterio fundamental para conseguir una buena mezcla de arenas es disponer de la mejor superficie del fundido, de alcanzar la mayor estabilidad posible del macho durante la colada y lograr una excelente capacidad de desmoronamiento después de colar, característica que influye fundamentalmente en la limpieza de la pieza, por lo que son deseables mezclas de arenas y otros materiales que tengan, después de la colada, gran porcentaje de volumen calcinado para que se desprendan fácilmente de las partes interiores de la pieza moldeada. Para conseguir una pieza fundida sin defectos se debe iniciar la solidificación en el punto más alejado de la entrada de metal o del alimentador y debe progresar uniformemente hacia zonas finales, sea de forma espontánea o bien mediante enfriadores que puedan mejorar la estructura de la pieza. Estos objetivos se alcanzan de forma más sencilla, mediante una buena situación de las entradas de líquido y los alimentadores. La consecución de una mazarota, zona residual que rebasa el diseño de la pieza y se elimina después de la solidificación, de tamaño mínimo que elimine el problema de los rechupes externos y contracciones de volumen es importantísimo para la viabilidad de la fabricación, dado que la forma, tamaño y facilidad de manipulación de la mazarota está íntimamente relacionada con el diseño de los alimentadores o bebederos. Así se comprende el cuidado que requiere este dispositivo, cuyos aspectos más interesantes son las bocas de vertido, el canal de colada, el sistema de distribución y la sección de entrada del líquido.

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En la figura 1.42 se puede observar un esquema tipo de distribución de los dispositivos mencionados; en el que el número 1 corresponde a los bebederos, el 2 a los reguladores, el 3 a las entradas, el 4 a los alimentadores, el 5 a los respiraderos y el 6 a los enfriadores. La solución más sencilla para la boca de vertido es un ensanchamiento cónico, embudo, diseñada de forma que el metal líquido no llegue con excesiva velocidad acompañado de turbulencias, con el fin de no producir erosión, ni generar inclusiones gaseosas, ni espuma. Embudos en forma de riñón actúan como un sifón que no solo disminuyen la velocidad del metal sino que facilitan la retención de partículas de óxido e impurezas, con la consiguiente mejora de calidad en las piezas moldeadas.

FIGURA 1.42

En cuanto al canal de colada se debe diseñar de forma que impida la entrada turbulenta del metal líquido y se corte el cordón de colada, generalmente se prefiere llenar el molde desde abajo. Su altura queda determinada por el tamaño de la pieza y por la altura del alimentador, procurando que sea la mínima posible; la velocidad y régimen del líquido viene determinado por la sección transversal. Cabe la posibilidad de que en un canal de colada el chorro de caldo, al cabo de un cierto recorrido, ya no ocupe la sección completa del canal. La consecuencia inmediata de este comportamiento es el efecto eyector, se absorbe aire a través de la

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arena del molde o de las zonas divisorias y provoca la oxidación y formación de espumas. El canal de colada desemboca en un sistema de distribución que conduce el metal a las secciones de entrada procurando que no se originen torbellinos ni se absorba aire, que siempre esté lleno y exista una ligera sobrepresión. Cuando hay grandes diferencias de presión se deben disponer sistemas de frenado que aminoren la elevada energía cinética del líquido. Por último, se debe cuidar extremadamente que el caldo no choque perpendicularmente con las paredes del molde para evitar la formación de espumas y el deterioro del mismo. Fundiciones en moldes permanentes Como se indicó anteriormente, cuando las fundiciones se realizan en moldes permanentes, se llevan a cabo bien sobre coquillas o mediante la inyección de la fundición. En la fundición en coquilla el molde se fábrica, generalmente, con acero o fundición lo que implica costes elevados y por tanto se deben utilizar para series relativamente grandes. Para piezas de formas complicadas se utilizan coquillas mixtas, realizándose de arena las partes internas, denominados machos, o bien aquellas que no tienen posibilidad de desmoldarse. El rendimiento de la colada y la exactitud de las medidas suelen ser superiores a los de la fundición en arena. Aunque el material líquido se derrama en el molde por gravedad, existe una variante que no se debe confundir con el moldeo a presión o inyectado, denominada fundición a baja presión en la que el material se introduce por la parte inferior del molde con una ligera sobrepresión y velocidad regulada. Mediante este proceso se consigue un menor recorrido del material, un enfriamiento dirigido, y mayores posibilidades de mecanización del proceso, resultando mejores las características mecánicas de la pieza así obtenida. Los materiales para las coquillas deben seleccionarse teniendo en cuenta la resistencia al desgaste, su aptitud para el mecanizado, la dilatación térmica, la conductividad térmica y la resistencia a los choques térmicos. Las coquillas de fundición suelen presentar una estructura de perlita fina estabilizada con cobre o plomo, y suelen alearse con molibdeno para aumentar su resistencia, sometiéndolas a un recocido de eliminación de tensiones. Suelen tener una vida media elevada que depende del metal colado, en el caso de aluminio se puede fijar entre 60.000 y 100.000 piezas coladas, dependiendo de lo complicado de su forma. Las fundiciones tienen una conductividad térmica muy superior a la de los


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aceros para trabajar en caliente. El punto débil de estas coquillas, comparándolas con las fundiciones, está en su baja soldabilidad. Por el contrario, las coquillas de acero para trabajar en caliente poseen una vida superior, hasta 150.000 piezas, utilizándose aceros al cromo, cromo-molibdeno y cromo-molibdeno-vanadio, cuyos contenidos en carbono van de 0,20 a 0,40%. Una coquilla consta, principalmente, de las mitades de la matriz y de los cursores y machos, elementos que se pueden manejar a mano o mecánicamente, generalmente mediante dispositivos hidráulicos. Una coquilla se denomina maciza cuando todas las partes que la constituyen, machos incluidos, son de fundición o acero, se denomina coquilla mixta aquella que utiliza machos de arena, que tienen un solo uso, siendo una tercera variante la llamada semicoquilla caracterizada porque una parte importante del molde está realizada en arena, aunque también posee otras partes reutilizables fabricadas con acero o fundición. El llenado del molde puede realizarse de diferentes maneras que permiten clasificar la fundición en coquilla en tres grandes grupos: fundición en coquilla por gravedad, fundición en coquilla a baja presión y fundición en coquilla a contrapresión. — Fundición en coquilla por gravedad. Cuando el llenado se realiza exclusivamente por gravedad y a la presión atmosférica se habla de fundición en coquilla por gravedad. El molde se llena a mano o mediante dispositivos de vertido que permiten racionalizar el proceso mediante mecanismos neumáticos o hidráulicos. — Fundición en coquilla a baja presión. Si en lugar de verter el metal líquido exclusivamente por gravedad y realizarse la solidificación en las mismas condiciones, se maneja el metal líquido con una presión relativamente baja, tanto durante el vertido como en el proceso de solidificación, la fundición se denomina en coquilla a baja presión. La magnitud de la presión viene determinada por la geometría de la pieza, sobre todo por el espesor de paredes y por la altura relativa del baño y coquilla. El recipiente para el metal líquido, que puede ser un horno de crisol para conservación de la temperatura, o un horno de inducción con canal, se mantiene hermético. La coquilla se sitúa sobre una tapadera habilitada para tal fin y se va llenando a través de un tubo que penetra casi hasta el fondo del crisol, merced a la acción de la presión ejercida; cuya magnitud, unida a la de la sección de las entradas, permite regular el flujo de llenado de forma que no aparezcan turbulencias. Una vez que la coquilla está llena se mantiene la presión el tiempo necesario para

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que la solidificación haya alcanzado el alimentador, momento en el que se extrae el aire del crisol o dispositivo de aporte y el metal ubicado en el conducto de entrada retrocede hacia él. La presión gaseosa puede ser sustituida por campos electromagnéticos cuyas fuerzas actúan de forma análoga, impulsando el líquido hacia el interior de la coquilla. El procedimiento a baja presión permite controlar de forma completa el proceso de solidificación lo que conlleva una elevada calidad en las piezas así conformadas. El crisol y el horno de alimentación actúan como depósitos cuasi-isotérmicos que hacen innecesario el alimentador tradicional, excepto en piezas muy complicadas que requieren un buen número de machos de arena. — Fundición en coquilla a contrapresión. Cuando el llenado y la solidificación se realizan a una presión más elevada se denomina fundición en coquilla a contrapresión. En este caso el molde se ubica en una cámara de presión estableciéndose un diferencial de presión entre molde y cámara de tres a siete bares que impele al líquido a llenar la coquilla. La ventaja de la sobrepresión acentuada estriba en que la porosidad de la pieza es muy inferior y la estructura suele ser de grano más fino debido a que la solidificación es más rápida. Se debe tener en cuenta que la fundición en coquilla, con independencia del tiempo empleado, requiere de una gran constancia en el ciclo de temperaturas a lo largo de todo el proceso de trabajo. La instalación de refrigeradores permite dirigir el enfriamiento de forma que la calidad de la pieza corresponda a lo exigido en este tipo de moldeo. La fundición inyectada es la forma de moldeo más económica para grandes series, desde dimensiones muy pequeñas hasta intermedias, debido a las particularidades técnicas y económicas que conllevan, como son el tamaño de las instalaciones y la gran inversión inicial. Las piezas obtenidas mediante este procedimiento se caracterizan por la exactitud de medidas, excelente calidad superficial, espesor de paredes muy pequeño, así como una gran uniformidad en las series. La velocidad de producción es muy elevada y la gran duración de los moldes permiten reproducir series sin necesidad de reponerlos. En este tipo de proceso se inyecta el metal líquido a gran presión y velocidad en los moldes, que suelen ser de acero refractario, manteniéndose la presión durante la solidificación. De este modo se consigue de forma reiterada y rápida la reproducción de piezas complicadas con unos excelentes niveles de calidad que minimizan los costes, ya que no es necesario


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utilizar procesos de acabado, tales como el mecanizado. Por otra parte, se consiguen piezas de paredes delgadas con el ahorro de masa que eso conlleva e incluso se pueden realizar taladros, ajustes o inscripciones. El moldeo por inyección se puede utilizar en materiales de bajo punto de fusión, metálicos o no. Cuando el material de colada es aluminio el proceso se realiza mediante maquinas de cámara fría que permiten un contacto breve de la cámara de moldeo con el metal porque el horno o el depósito isotérmico están separados, estas cámaras dosifican el caldo necesario para cada operación y evitan el ataque del aluminio al acero o fundición de los moldes. La elección de materiales adecuados para los moldes utilizados en el moldeo por inyección es fundamental para conseguir buena calidad de la pieza y rentabilidad de las instalaciones, ya que no solo deben ser materiales que resistan los choque térmicos y las solicitaciones mecánicas, sino que deben tener una buena soldabilidad que permita efectuar reparaciones y modificaciones, además de presentar buena forjabilidad y maquinabilidad e indeformabilidad con los tratamientos térmicos. Dentro de estas especificaciones suelen dar buenos resultados los aceros aleados con cromo, molibdeno y vanadio o bien volframio. Un molde bien diseñado y construido puede durar, dependiendo de la complejidad de la pieza, entre 40.000 y 150.000 moldeos en el caso de piezas de aluminio y un número superior cuando se trata de materiales poliméricos. La inyección puede realizarse con vertido horizontal o vertical, dependiendo del tipo de pieza, aunque se puede decir que las piezas pequeñas y simétricas o cilíndricas se realizan mejor con inyección vertical. Para evitar la adherencia del material al molde, así como la erosión y el rozamiento excesivos se utilizan medios desmoldeantes que se aplican con pincel o pistola, la capa de estas sustancias debe ser uniforme y delgada para evitar piezas defectuosas. Por último, la fabricación de algún tipo de piezas puede revestir problemas específicos en el llenado del molde y en su homogeneidad, problemas que se relacionan con la eliminación del aire presente en la cavidad del molde. Para la evacuación de este aire se utiliza una carcasa partida que envuelve las dos mitades del molde colocadas entre los dos platos de sujeción y un canal de succión en la superficie de partición del mismo o bien sistemas de absorción específicos. Fundiciones especiales Existen otros procedimientos especiales en los que las exigencias de uso y el valor añadido de las piezas obtenidas permiten realizar gastos de

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fabricación prohibitivos en otras circunstancias, pudiéndose considerar los siguientes: — Fundición de precisión. En ella se utilizan aglutinantes de diferentes características que se vierten sobre los modelos; sobre la película así creada se deposita la masa pastosa que va a conformar el molde; después de fraguar dicha masa y eliminar el modelo se secan y cuecen las partes del molde para conseguir la permeabilidad gaseosa necesaria. Si el procedimiento se realiza mediante moldes de yeso, este sirve de aglutinante junto con materiales refractarios y, para controlar la contracción, solidez, permeabilidad gaseosa y tiempo de fraguado se incorporan aditivos tales como cemento, talco, sales alcalinas o vidrio soluble. Las piezas obtenidas mediante moldeo utilizando moldes de yeso se caracterizan por conseguir formas muy complicadas con superficies extremadamente lisas y contornos muy bien definidos. — Fundición fina. Se caracteriza por el uso de moldes cerámicos formados por una sola unidad destinada a una única aplicación. La mayor parte de las veces se utilizan modelos de cera, moldeo a la cera perdida. El procedimiento se emplea preferentemente para piezas pequeñas que requieren de una gran precisión dimensional. — Fundición en molde al vacío. El moldeo en vacío permite utilizar arenas sin aglutinante, consiguiendo fijar la arena suelta en la cavidad del molde bajo la acción del vacío, confiriéndole estabilidad durante el tiempo de colada y solidificación. Se restringe su utilización a piezas de gran valor o elevada responsabilidad, debido a razones económicas. — Moldeo con modelo perdido. El material que se utiliza para el molde se volatiliza al contacto con el material fundido. El metal ocupa el espacio del modelo lo que elimina el paso de partir el molde para su utilización, como material para el modelo se puede utilizar desde poliestireno expandido hasta, en orfebrería, insectos o plantas que se desean reproducir en materiales preciosos tales como joyas.

1.10.2. Parámetros del conformado por moldeo En primer lugar se deben conocer las características de la colada de forma que permita prever el transitorio líquido-sólido de las diferentes aleaciones, lo que posibilita la selección de la más adecuada para que la calidad de la pieza satisfaga las necesidades de uso. Cuando una pieza se acepta es porque se supone que tiene una estructura uniforme compacta

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y a ser posible de grano fino y que no tenga ni rechupes ni inclusiones no metálicas, tampoco debe presentar grietas, poros o tensiones residuales. Se debe conocer el desarrollo de la solidificación que informa sobre la manera en que se originan los cristales a partir del caldo. En la solidificación exógena comienza la formación de cristales en la frontera líquidomolde, formándose cristales columnares más o menos regulares según la rugosidad de las paredes del molde. La solidificación endógena puede ser de forma pastosa o por capas, resultando los cristales sensiblemente esféricos. Otro aspecto muy importante de la colada es su fluidez, considerando como tal la capacidad de un caldo metálico para recorrer un molde hueco rellenándolo por completo antes de que se detenga por solidificación. Íntimamente relacionada con la cualidad anterior está la capacidad de llenado del molde que indica la mayor o menor capacidad del líquido para reproducir fielmente la forma del molde. Tanto para medir la fluidez como la capacidad de llenado se utilizan espirales de sección normalizada, siendo la longitud de espiral rellenada perfectamente el parámetro de comparación entre aleaciones. En la figura 1.43 se puede apreciar la capacidad de llenado del molde relacionada con los diferentes parámetros del proceso como son el contenido de silicio, la temperatura y la longitud de la espiral, correspondiendo el dispositivo a Patterson y Brand.

FIGURA 1.43

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Otro aspecto a tener en cuenta es el comportamiento en el proceso de alimentación, entendiéndose como tal el transporte del material en estado líquido o pastoso hacia el interior del molde, de forma que se asegure una solidificación dirigida y continua hasta formar una pieza homogénea. Un buen comportamiento en la alimentación garantiza poca porosidad de contracción en la pieza final. También es muy importante conocer, con independencia del tipo de material, la tendencia a la formación de rechupes. Los rechupes son defectos de forma que se originan durante el enfriamiento de casi todos los metales ya que, en general, tienen mayor volumen específico en estado líquido que en estado sólido. Al solidificarse y enfriarse aparece un déficit de volumen lo que imposibilita adaptarse a las exigencias de forma ya que el material, próximo al estado sólido, ha perdido capacidad de llenado. Los rechupes pueden ser externos o internos; los primeros son apreciables a simple vista y, por tanto, eliminables por corte de la parte afectada, pero suponen un coste adicional por el material desechado y por el posterior control de forma. Los rechupes internos suelen ser de tamaño inferior pero implican una perdida de las características mecánicas y por lo tanto de calidad en la pieza, siendo difíciles de detectar e imposibles de eliminar. En la figura 1.44 se presentan dos lingotes con rechupes internos y externos, estos últimos han aflorado mediante corte para poder ser observados.

FIGURA 1.44


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El objetivo prioritario de la técnica de vertido es concentrar todas o la mayor parte de las deficiencias de volumen en la parte exterior, en particular en la zona de vertido o mazarota de la pieza. Para ello es fundamental dirigir la solidificación de la pieza, alejando las últimas zonas solidificadas del interior y aproximándolas al bebedero y cavidad de vertido para que al ser eliminadas no afecten a la forma deseada. El siguiente aspecto a considerar en el conformado por moldeo es la aparición de grietas en el enfriamiento debido a las contracciones del metal, contracciones que se producen en una masa que debe adaptarse a las sinuosidades del molde. Si, además, las ramificaciones en la forma implican zonas de diferente masa, superficie de contacto con el molde y, consecuentemente, diferente régimen de enfriamiento, las tensiones debidas al gradiente térmico son usuales y pueden provocar grietas cuando el metal comienza a perder movilidad. Por último, se debe tener en cuenta la contracción de solidificación, diferenciable de los rechupes ya que se trata de un cambio de dimensiones lineal atribuible a la dilatación o contracción de todo metal con la temperatura. Este cambio dimensional, evaluable a partir del conocimiento del coeficiente de dilatación del material, varía mucho de un material a otro e, incluso, dentro del mismo material si la composición de la aleación no es uniforme.

1.11. SIMULACIONES DEL CONFORMADO El conformado de materiales es un proceso complejo y caro y además utiliza materiales de elevado precio, lo que implica que si después de conformar una pieza no alcanza los niveles de calidad exigidos por el usuario, se producirá el rechazo de la misma con los perjuicios de orden económico y de confianza que eso conlleva. En el caso del conformado de semiproductos, planchas, barras, palanquillas, se están manejando toneladas de material cuyo valor es considerable. Cuando se trata de una pieza acabada o prácticamente acabada, el problema estriba en que se suelen hacer los controles de calidad de forma estadística con la consecuencia de que la detección de defectos en un número limitado de piezas conlleva el rechazo de toda la partida. Los rechazos pueden producirse por defectos de diferente índole, algunos se deben a la inapropiada composición del material, que o bien no corresponde a la pactada con el cliente, o bien, aunque no sea rechazable directamente, se adapta a la solicitada pero contiene elementos que provocan una respuesta defectuosa a las solicitaciones propias de un conformado. Estas causas

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debidas a los defectos han sido controladas y subsanadas de forma rutinaria en los laboratorios de las empresas. Sin embargo, hay otro tipo de defectos atribuibles al proceso de conformado, ya que los materiales se ven sometidos a esfuerzos cada vez más intensos y a elevadas velocidades de deformación con márgenes cada vez más estrechos de temperaturas. Es por ello que los laboratorios de calidad de las empresas recurren, de forma cada vez más sistemática, al estudio teórico de los procesos de conformado para minimizar los márgenes de error y reducir costes de fabricación. Los procesos de conformado vienen caracterizados, mecánicamente, por tres parámetros: temperatura, velocidad de deformación y esfuerzo aplicado. Si los ensayos destinados a prever el comportamiento en operación de los materiales son, desde hace años, prácticamente rutinarios, no sucede lo mismo con la predicción de los parámetros óptimos del conformado de los materiales, ya que requieren un estudio previo y una selección de opciones técnico-prácticas que van a decidir, en gran medida, la solución o propuesta de condicionantes. La respuesta a las solicitaciones externas de los materiales depende de tal cantidad de variables que es extremadamente complicado procesarlas de forma teórica ya que la capacidad del sistema de cálculo excedería ampliamente la capacidad de cualquier ordenador. Además, la importancia relativa de cada variable no es constante y sólo el técnico especializado sabe o especula de forma fiable con las mismas, por ello los estudios encaminados a prever la respuesta ante el conformado de los materiales están sujetos a patentes o, simplemente, no son divulgados por las empresas del sector que buscan ir siempre por delante de las empresas competidoras. Un primer paso para conocer el comportamiento del material cuando es sometido a un proceso de conformado es el estudio de la ductilidad; considerando la ductilidad como la capacidad del material de ser deformado en función de las variables habituales, como son: temperatura, velocidad de deformación y grado de deformación. Los ensayos que proporcionan datos al respecto pueden ser de tracción, compresión o torsión, teniendo cada uno de ellos ventajas e inconvenientes y siendo los rangos de velocidades, temperaturas y grados de deformación los que aconsejan su elección. El ensayo más sencillo de realizar es el de tracción, pero las velocidades generalizadas de deformación más altas a las que se pueden realizar son muy inferiores a las que normalmente se emplean en los procesos de conformado. Además, tampoco se pueden alcanzar elevadas deformaciones ya que aparece el fenómeno de estricción y es complicado calcular la velocidad real de deformación.

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Los ensayos de compresión, que permiten alcanzar altas velocidades, también son difícilmente calculables en función de la velocidad de desplazamiento de la prensa, presentando, además, el problema de la fricción entre la probeta de ensayo y los elementos de empuje, y el cambio de sección que sufre la probeta al comprimirse, el llamado barreling. Por último, el ensayo de torsión permite alcanzar grandes velocidades de deformación y deformaciones muy elevadas sin problemas de geometría, pero tampoco es la panacea ya que la deformación puede no ser homogénea y el valor de las tensiones correspondiente a cada proceso de deformación no es directo ni sencillo de calcular. En definitiva, se requiere de un gran conocimiento de los procesos que se van a simular para determinar los rangos de temperatura, velocidad y grado de deformación que se pueden reproducir de forma extrapolable en la instalación industrial. En todo caso, el estudio de ductilidad aporta información muy importante sobre los límites de temperatura y velocidad de deformación de cada material. Un ejemplo claro lo proporciona el comportamiento superplástico, que como se comentó anteriormente se caracteriza por la gran capacidad del material para ser fuertemente deformado. Sin embargo, estas deformaciones deben realizarse a velocidades extremadamente bajas. Este es un comportamiento opuesto al habitual en materia-

FIGURA 1.45

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les metálicos que debe ser evaluado y verificado tal y como se muestra en las figuras 1.45 y 1.46. En la figura 1.45 se aprecia claramente el diferente comportamiento de un material superplástico, en este caso un acero de ultraalto carbono, cuya ductilidad tiene un máximo a 1.050°C y que al pasar de 0,2 s1 a 26 s1 disminuye bruscamente; mientras que en la figura 1.46 se puede observar como un acero microaleado de alto límite elástico incrementa su ductilidad (N vueltas a rotura) con la temperatura y con la velocidad de deformación, lo da una idea cualitativa del comportamiento del material y, además, indica el incremento relativo del riesgo de que aparezcan grietas según las condiciones de conformado.

FIGURA 1.46

Una vez que se puede prever la evolución de la ductilidad del material, la práctica común exige conseguir una ley teórica verificable que reproduzca el comportamiento del material, lo que equivale a obtener su ecuación de estado y si esto no fuera posible, utilizar una ecuación fenomenológica que permita, con garantías, sustituir la ecuación de estado sin restar, en la practica, fiabilidad a los cálculos y previsiones del comportamiento del material. Cuando se estudia el comportamiento en fluencia de los materiales metálicos, una de las ecuaciones más utilizada es la ecuación de Garofalo que puede considerarse, muy probablemente, como ecuación de estado


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cuando se consiga interpretar el significado físico de sus variables en relación con el material cuyo comportamiento describe, hasta ese momento es una herramienta que posibilita prever el comportamiento del material en un amplio rango de temperaturas, velocidades generalizadas de deformación y tensiones, siendo su forma habitual la ecuación: ˙ eQ/RT A[Senh()]n

[1.7]

donde el primer término es el parámetro de Zener-Hollomon Z ya definido en [1.3] y en el segundo A, y n son constantes del material, siendo la velocidad de deformación, la temperatura T y la tensión , los valores que se pueden obtener de los ensayos de fluencia, a partir de los cuales se puede calcular la energía de activación aparente Q y los parámetros A, y n. Un ejemplo de los valores obtenidos en distintos ensayos de torsión en un acero inoxidable se presentan en la Tabla 1.2 y los valores de la ecuación obtenida, así como su concordancia con los valores experimentales, se pueden observar en la figura 1.47. Con estos valores experimentales se resuelve la ecuación de Garofalo, pudiéndose representar la solución del modo que se muestra en la figura 1.47, en la que se representa en ordenadas el logaritmo del parámetro de Zener-Hollomon y en abscisas el logaritmo neperiano del seno hiperbólico de , multiplicado por la tensión en MPa; los puntos corresponden a los valores experimentales proporcionados por los ensayos y reproducidos en esa tabla. La línea recta central representa la ecuación [1.7] en coordenadas logarítmicas y la banda define los valores correspondientes a un 5% de error. Cuando se han realizado pocos ensayos o bien tienen una gran dispersión, la banda de fiabilidad es más amplia lo que indica una menor capacidad de extrapolación para valores situados fuera del rango de los ensayos de laboratorio. La ecuación teórica obtenida sería: ˙ exp (392.000/8,314 T) 1,8082 1015 [Senh(0,0065 )]5,56

[1.8]

Como se desprende de los valores que se encuentran en la tabla 1.2 se estudian dos órdenes de magnitud de la velocidad de deformación, desde 100 hasta 102, y la temperatura en todo el rango usual de conformado. Los valores de r corresponden a la correlación y la F de Snedecor es un valor estadístico que indica la coherencia de la ecuación obtenida con el fenómeno estudiado, la correlación r 0,994 indica una excelente aproximación de los valores experimentales con los teóricos proporcionados por la ecuación; en cuanto a la F de Snedecor tiene un valor que debe compararse al valor mínimo teórico, correspondiente a los grados

84


T (K)

Tensión MPa

Vel. Def. (sⴚ1)

1500

81,25

1

1500

95,11

5

1500

108,33

10

1500

128,32

20

1500

131,23

26

1473

86,24

1

1473

104,51

5

1473

119,58

10

1473

131,12

20

1473

134,00

26

1423

116,37

3

1423

136,79

5

1423

147,15

10

1423

155,16

20

1423

156,12

26

1373

133,79

3

1373

156,40

5

1373

170,74

10

1373

184,44

20

1323

178,51

3

1323

184,88

5

1323

198,13

10

1323

213,96

20

1273

201,61

3

1273

212,06

5

1273

236,46

10

1273

242,12

29

TABLA 1.2

85


FIGURA 1.47

de libertad del sistema y el número de datos experimentales; el valor teórico en este caso, calculado para 3 grados de libertad, 43 valores y un 5% de error máximo, sería dos ordenes de magnitud inferior al obtenido, lo que corrobora la coherencia de la ecuación con los datos experimentales. También permite extrapolar, sin riesgo de superar el 5% de error, hasta un orden de magnitud los parámetros de conformado, es decir, prever la respuesta del material hasta valores del orden de 102 s1 para la velocidad de deformación, valor que introducido en la ecuación [1.7] para los valores más bajos de la temperatura, 1.253 K, indican que la instalación de conformado debe alcanzar valores de la tensión próximos a los 310 MPa. El paso siguiente debe servir para proporcionar información acerca de las condiciones óptimas de conformado desde el punto de vista del rendimiento energético. El conformado a alta temperatura puede analizarse por medio de la potencia suministrada al material, P, que puede dividirse en los dos términos de la ecuación siguiente: P ˙

冕 d˙ 冕 ˙d ˙

0

[1.9]

0

o de otra forma: P G J donde G, el contenido disipador, es la potencia gastada en la deformación sin cambio en la estructura interna y J, el co-contenido disipador, es la

86


potencia gastada en la deformación con un cambio en la estructura interna. Puede obtenerse una relación de factores de eficiencia para G y J,

G y J, dividiendo esta ecuación por la potencia suministrada. Luego: 1 G J de la que se obtiene la siguiente ecuación: J =

1 ˙

0

˙ d

[1.10]

esta ecuación puede desarrollarse sustituyendo la tensión por valores experimentales o bien aquellos que proporcione una ley de comportamiento, en este ejemplo se hará por medio de la ecuación de Garofalo y la variación de J con T y la velocidad de deformación forman la base para la construcción de mapas de eficiencia constante de J. J =

1 ˙

0

Ae Q / RT [senh( )]n d

[1.11]

Una vez conocida la ecuación de Garofalo, se puede hacer uso de ella para conseguir los mapas de rendimiento y de estabilidad del conformado y así obtener una mayor información de los rangos de temperatura y velocidades de deformación en los que se obtiene un mejor rendimiento energético. El rendimiento total se obtendría calculando la integral G, pero lo importante de estos valores no está en su magnitud absoluta sino en la relativa entre diferentes zonas de trabajo. En la figura 1.48 se representa el rendimiento del conformado en función del logaritmo de la velocidad de deformación y la temperatura, correspondiendo las curvas de nivel de la figura al rendimiento termodi-

FIGURA 1.48

87


námico del proceso de conformación. La primera etapa de conformado se realiza en la zona recuadrada, 20 s1 y 1.200°C, resultando su rendimiento relativo de 0,135; mientras que el último paso de laminado se realiza a 900°C y velocidad superior, 80 s1, siendo su rendimiento 0,075, es decir un 45% inferior al anterior. Se podría decir que el laminado sería más eficaz a mayor temperatura o menor velocidad de deformación, lo que choca con la realidad metalúrgica, aunque bien pudiera ser una alternativa teórica. A mayor temperatura el acero se quema e incluso se funde parcialmente con lo que resulta inservible, y a menor velocidad de conformado la producción disminuye y el precio final del producto resulta excesivamente elevado. Por otra parte, una vez delimitada la zona de trabajo en la figura 1.49, se demuestra que la relación óptima entre la velocidad de deformación y la temperatura de trabajo es aquella que da un valor mínimo para la expresión: ( m/ ln ˙) 0

[1.12]

expresión en la que m es el coeficiente de sensibilidad a la velocidad de deformación: m ln/ln˙

[1.13]

Esta condición es de estabilidad frente a la aparición de bandas de deformación que pueden dar lugar a grietas y su representación se hace en

FIGURA 1.49

88


la figura 1.49, donde se pueden observar las zonas de riesgo de producción de grietas durante el conformado del acero 592. La zona comprendida entre las líneas de nivel para 0,008 es la que presenta menor peligro de aparición de grietas y por lo tanto, la más aconsejable para el trabajo estable. Se aprecia en la figura que el primer paso de laminado está próximo a la zona optima y que el riesgo relativo de aparición de grietas es un 33% superior en el paso de laminado a baja temperatura. Para completar el estudio del comportamiento del material se realizan los ensayos de ductilidad tales como los que se comentaron al inicio de este apartado. Para este acero los resultados son los de la figura 1.50.

FIGURA 1.50

Se puede apreciar como a partir de 1.220°C se produce una disminución de la ductilidad, lo que indica que empieza a producirse el quemado intergranular del que se habló con anterioridad. En definitiva, las simulaciones del conformado permiten evaluar riesgos y tomar decisiones que, en todo caso, son complementarias de las que otros controles y la propia experiencia proporcionan.

Tema 2 SINTERIZACIÓN

2.1. INTRODUCCIÓN El término sinterización describe un proceso de interacción entre partículas, activado térmicamente, durante el cual una masa de polvo, que puede estar compactada de forma más o menos fuerte, o bien un bloque de polvo compactado, se densifica para solidificar con la composición preestablecida. Por extensión, también se refiere a los diversos procesos, generalmente físicos, que tienden a variar la porosidad del conjunto. En el sinterizado, mezclas de elementos con diferentes composiciones se transforman para obtener un material de estado uniforme, comparable a las aleaciones cuyas propiedades pueden explicarse mediante su diagrama de fases. La sinterización es el proceso fundamental para el conformado en pulvimetalurgia, proporcionando a la pieza la resistencia y estabilidad exigible para su uso posterior. Se realiza a temperaturas levemente inferiores a la temperatura de fusión del elemento mayoritario de la mezcla, lo que provoca un proceso de difusión atómica que intensifica el contacto entre partículas, aumentando de esa forma las interacciones debidas a la tensión superficial. Las partículas forman una pieza uniforme en la cual puede llegar a producirse un proceso de recristalización. El proceso debe realizarse bajo atmósfera controlada y dado que la temperatura de sinterizado oscila entre el 60 y el 90% de la temperatura de fusión del elemento base, puede suceder, en sinterizados de elementos diferentes, que uno o varios de los elementos minoritarios alcancen la temperatura de fusión. En este caso es primordial controlar la fase líquida para que no altere la forma final buscada. Durante el sinterizado, el sistema de partículas, que posee un elevado nivel de energía libre, se transforma en un sistema más estable y menos

90


poroso. El mecanismo conductor del proceso es, precisamente, la diferencia de energías entre el estado inicial y el final que se produce al tratar de encontrar las partículas el estado de mínima energía, o sea reduciendo las superficies, tanto internas como son las barreras de polvos encapsulados o las fronteras de grano, como externas entre las que se encuentran las fronteras entre partículas o las superficies de contacto entre poros interconectados. Al mismo tiempo se eliminan defectos estructurales, especialmente mediante el contacto entre partículas adyacentes que se han generado en el proceso de compresión, gracias a la interacción de las fronteras de grano de gran ángulo. En los sistemas formados por polvos heterogéneos puede existir una fase líquida ya que la temperatura del proceso viene regida por la de fusión del polvo base y puede haber algún componente que funda a temperatura inferior; sucede entonces que los niveles de energía libre inicial son diferentes, lo que provoca que haya distintos mecanismos de difusión atómica, es decir lo que se denomina una heterodifusión, bien sea a través de las superficies de contacto, o a lo largo de las fronteras de grano o incluso por medio de las vacantes de red. En definitiva, grandes cantidades de materia serán transportadas en la sinterización mediante el aglomerado de polvos y, en función del tipo y estado de los mismos, actuarán uno o más mecanismos. El proceso de sinterización se divide en distintas fases, comenzando por la elaboración de materias primas en sus distintos estados, polvos o granos; siguiendo por la mezcla de las materias primas, teniendo muy en cuenta el producto a obtener; conformando, a continuación, las materias primas a las formas necesarias, pero solo alcanzando las condiciones que permiten su posterior manipulación; finalizando el proceso al obtener las piezas las características mecánicas solicitadas, mediante su sinterización.

2.2.

EL CONFORMADO PULVIMETALÚRGICO

El conformado pulvimetalúrgico es un proceso aplicable a materiales metálicos, al igual que lo son la forja, el laminado o la estampación. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o el moldeo a la cera perdida. Sin embargo, el desarrollo reciente de este tipo de conformado se ha visto favorecido por factores tanto técnicos, la demanda de productos de difícil hechurado por medios tradicionales, como económicos, ya que por una parte la materia prima que se utiliza en estos procesos tiene un valor elevado y si se compara con otro tipo de conformados se producen

SINTERIZACIÓN

91

menos perdidas de materia, y por otra se eliminan etapas de fabricación que inciden de forma muy favorable en el precio final de la pieza. Un conformado que puede considerarse pulvimetalúrgico es el de peletización, aunque dado que se reserva para designar la sinterización de minerales de hierro aglomerados en fase liquida o casi liquida, para su posterior procesado en el horno alto, se suele tratar de forma específica. Un precedente histórico de este tipo de conformado se tiene en los antiguos métodos de compactación, que eran métodos que suplían la carencia de hornos apropiados para alcanzar la fusión del hierro con la reducción de menas naturales de carbón vegetal, obteniéndose una esponja metálica que poseía características comparables a la materia pulverulenta que se sinteriza en el conformado pulvimetalúrgico; su elevada superficie interna posibilita la transferencia de materia de forma parecida a como sucede entre partículas de polvo, compactándose mediante forja, el material así homogeneizado. Fue la técnica utilizada por los hititas en el siglo XIII antes de Cristo para fabricar espadas, con las que derrotaron a un imperio superior, tanto organizativa como culturalmente, como era el egipcio. Una mejora de esta técnica fue la farga catalana que se utilizó desde la época romana hasta el siglo XIII. La pulvimetalurgia, como proceso de conformado a escala industrial, se utiliza por primera vez en 1827 cuando el científico ruso P. Sobolevsky fabricó monedas de platino sinterizando y estampando polvos de ese metal. Bastante tiempo después, en 1900, Auer von Welsbach aplicó sobre polvos de osmio la sinterización y prensado para obtener filamentos de lámparas de forma directa ya que los polvos aglutinados se sinterizaban gracias al paso de la corriente eléctrica. En 1910 se sustituyó el osmio por volframio, pero el proceso siguió siendo el sinterizado pulvimetalúrgico. Poco después, en 1920, se comenzaron a fabricar bronces porosos autolubricantes para la industria de la automoción. Sin embargo, el mayor empuje recibido por el proceso de conformado pulvimetalúrgico, tuvo lugar al aplicarlo a las aleaciones de carburo de volframio aglomeradas con cobalto, que bajo el nombre comercial de widia se convirtieron casi en imprescindibles para la industria de corte, siendo de uso generalizado hasta nuestros días.

2.3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL SINTERIZADO El sinterizado es la unión de partículas a altas temperaturas, aunque inferiores a las de fusión, mediante mecanismos de transporte atómico en estado sólido. A escala microestructural la unión se realiza gracias al

92


crecimiento cohesionado de los cuellos de unión que se forman entre las partículas en contacto. En la figura 2.1 se puede apreciar, en dos imágenes de microscopia electrónica, la evolución de este fenómeno entre dos partículas esféricas sinterizadas que corresponden a polvos de níquel tratados en vacío a 1.030°C.

FIGURA 2.1

Los cambios estructurales, asociados al crecimiento del cuello de unión durante el sinterizado, se rigen por mecanismos de transporte que corresponden, en su mayor parte, a procesos de difusión. La difusión se activa térmicamente, es decir que se requiere de la energía térmica para el movimiento atómico. La migración depende de que los átomos alcancen una energía igual o superior a la energía de activación necesaria para desplazarse a las vacantes de red. La densidad de vacantes y el número de átomos con energía suficiente para ocupar esos espacios viene definida por la ley de Arrhenius: N/N0 exp (Q/RT)

[2.1]

donde N/N0 es la razón de espacios ocupables por átomos activados frente al número total de los mismos, Q la energía de activación, R la constante de los gases perfectos y T la temperatura absoluta. Se puede explicar el proceso físico real de la interacción de partículas, mediante el modelo de dos esferas en contacto tal y como se muestra en la figura 2.2. La unión entre partículas en contacto actúa sinérgicamente

93

SINTERIZACIÓN

para favorecer el progreso del sinterizado, siguiendo los pasos con los que se esquematiza el proceso de unión de partículas hasta fundirse en una sola partícula.

FIGURA 2.1

La sinterización se inicia al ponerse dos partículas en contacto, la temperatura y presión hacen que se forme una zona común, en poco tiempo, que crece de forma relativamente rápida. El segundo paso, que necesita un tiempo más largo, va eliminando aristas en la zona de contacto de ambas partículas a la vez que crece la superficie de la misma y se empiezan a desarrollar, en la zona común, propiedades diferentes a las de las partículas separadas, este cambio puede ir acompañado de un progresivo aislamiento de los poros y una ralentización de la velocidad de sinterizado.

94


Los poros abiertos se hacen inestables y disminuye su volumen relativo de forma que se alcanza el 92% de la densidad teórica; en ese momento los poros cilíndricos se colapsan transformándose en esféricos, la interconexión de poros desaparece y el gradiente de densidad disminuye. El estado final, que se alcanza teóricamente en un tiempo infinito, es el de una sola partícula cuyo diámetro es 1,26 veces el diámetro inicial de las partículas sinterizadas. La energía de sinterizado es relativamente pequeña. Si se considera el material constituido por esferas de diámetro D, con una energía superficial sv; la energía necesaria por unidad de volumen (E/V) asociada con la perdida de área total sería: E/V 6 sv/D

[2.2]

Una energía superficial típica es 1 J/m2 , lo que supone una energía de tan solo 3 J/m2 para una partícula de 2 m, por tanto sólo temperaturas altas pueden excitar los átomos de forma que se generen uniones entre partículas en tiempos razonables.

FIGURA 2.3

Los procesos de transporte determinan cuanta masa va a fluir de acuerdo con las fuerzas conductoras y pueden ser de dos tipos, transporte superficial y transporte en volumen, que se esquematizan en la figura 2.3, en la que se detallan los diferentes mecanismos involucrados en

95

SINTERIZACIÓN

cada tipo de transporte. Los procesos de transporte superficiales incrementan la superficie de contacto desplazando la masa por medio de mecanismos de evaporación-condensación (E-C), difusión superficial (SD) y difusión en volumen (VD). Los procesos de transporte volumétricos promueven el crecimiento de la zona de contacto a través de mecanismos internos, tales como fluencia plástica (PF), difusión por fronteras de grano (GB), y difusión en volumen (VD). Solo los proceso de tipo volumétrico implican una contracción simultánea a la aproximación entre partículas.

2.3.1. Estado inicial En el momento del contacto entre partículas se puede decir que, en un sistema isotérmico, el crecimiento del cuello de la zona de contacto, definido como la razón X/D, puede expresarse según la ecuación: (X/D)n Bt/Dm

[2.3]

donde X es el diámetro del cuello, D el diámetro de partícula, t es el tiempo de sinterizado y B un parámetro que depende del material y su geometría. Los valores de n, m y B dependen del mecanismo de transporte y se presentan en la tabla 2.1, en la que se presentan los valores de los parámetros del modelo de crecimiento del cuello. Mecanismo

n

m

B

Fluencia viscosa

2

1

3/2

Fluencia plástica

2

1

9bDv/(kT)

Evaporación condensación

3

1

(3P/2)(/2)1/2(M/(kT))3/2

Difusión de vacantes

5

3

80 Dv/(kT)

Difusión de fronteras de grano

6

4

20 Db/(kT)

Difusión superficial

7

4

56 Ds4/3/(kT)

El significado de los símbolos es:

b k T

energía superficial densidad teórica viscosidad vector de Burgers constante de Boltzmann temperatura absoluta tamaño de frontera de grano

Dv Ds Db P M

difusividad de volumen difusividad de superficie difusividad de borde de grano presión de vapor peso molecular volumen atómico

TABLA 2.1

96


Aunque no es una ecuación excesivamente precisa, ilustra alguno de los factores que determinan el proceso. Así, la gran dependencia del inverso del tamaño de partícula indica que las partículas más pequeñas facilitan el sinterizado; los incrementos en la temperatura del proceso, aunque sean pequeños, inciden notablemente en su desarrollo; y además, el factor tiempo tiene una influencia inferior a la temperatura del proceso y al tamaño de partícula. En los procesos regidos por transporte en masa se producen variaciones en el espacio entre partículas, produciéndose una contracción simultanea con la compactación, tal y como se esquematiza en la figura 2.3. La aproximación entre los centros de las partículas puede relacionarse, de forma aproximada, con el tamaño de la zona de contacto mediante la expresión: L/L0 (X/D)2

[2.4]

La cinética de la contracción, en esta primera etapa del sinterizado, se define por una expresión similar a [2.3]. (L/L0)n/2 Bt/(2nDm)

[2.5]

siendo D el diámetro de partícula, figura 2.3, t es el tiempo de tratamiento isotérmico, n/2 tiene un valor entre 2,5 y 3 y los valores de B son los de la tabla anterior, dependiendo, además, de la temperatura según la expresión habitual en procesos activados térmicamente: B B0 exp (Q/RT)

[2.6]

donde R es la constante de los gases perfectos y Q la energía de activación, cuyo valor da una idea de la mayor o menor dificultad para iniciarse y mantenerse el proceso.

2.3.2. Estado intermedio El estado intermedio es determinante para alcanzar las propiedades finales del producto sinterizado, está caracterizado por la evolución de los procesos de esferoidización de poros, densificación y crecimiento de grano. La geometría del sinterizado se puede asimilar a poros cilíndricos ubicados en la fronteras de grano, tal y como se esquematiza en la figura 2.4, que corresponde a la distribución de poros en el estado intermedio de la sinterización, en la que los granos tienen forma de tetradecaedro con una red de poros en las aristas.

97

SINTERIZACIÓN

FIGURA 2.4

La velocidad de densificación depende de la difusión de vacantes y se puede expresar como: d/dt JAN

[2.7]

expresión en la que J es el flujo de átomos por unidad de tiempo y área, A es el área utilizada en la difusión, N el número de poros por unidad de volumen y Ω el volumen atómico. Si se asume que la eliminación de poros está relacionada con la difusión de volumen por los límites de grano y la destrucción de vacantes, entonces la primera ley de Fick permite afirmar que la densidad del sinterizado evoluciona según la expresión: s i Bi ln (t/ti)

[2.8]

donde s es la densidad del sinterizado, i es la densidad al inicio de la segunda etapa, Bi adopta los valores de la ecuación [2.6] y t es el tiempo de sinterización. Bi varía inversamente con el cubo del tamaño de grano. Es necesario un tiempo prolongado de sinterizado para cambiar significativamente las propiedades del mismo y, en general, varía mucho con la morfología específica, tamaño de grano, tamaño de poro y distancia entre poros.

2.3.3. Etapa final La etapa final es un proceso lento en el que los poros aislados se ubican en los vértices de grano adoptando la forma de la figura 2.5, en la

98


que se presenta la morfología de las partículas al final del proceso de sinterizado.

FIGURA 2.5

Los poros, colapsados y ya de forma esférica, se difunden a través de las vacantes continuando la contracción de las partículas. Se puede cuantificar la velocidad de densificación mediante la expresión: d/dt (12 Dv/kTG3 )(2/r Pg)

[2.9]

donde r es la densidad, t el tiempo, Ω el volumen atómico, Dv la difusividad en volumen, k la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, G el tamaño de grano, la energía de tensión de vapor, r el radio del poro y Pg la presión del gas en el poro.

2.4. COMPACTACIÓN PREVIA EN EL SINTERIZADO En muchas ocasiones el polvo que va a ser sinterizado se somete a una compactación previa, esta preparación se hace cuando se busca obtener una porosidad fina y uniforme, como por ejemplo en un material destinado a filtros, o también cuando la estructura inicial se alcanza con ligaduras especiales tal y como sucede en el moldeo por inyección. La aparente paradoja de eliminar poros, mediante compactación previa, para obtener una porosidad final mayor se puede explicar fácilmente; los poros iniciales son de gran tamaño y presentan una distribución no uniforme, por lo que seria prácticamente imposible alcanzar una estructura de poros finos distribuidos homogéneamente. Sin embargo, compri-

SINTERIZACIÓN

99

miendo el polvo antes del sinterizado se reduce la porosidad inicial grosera y además se incrementa la densidad de dislocaciones, con lo que el proceso de compactación puede ser dirigido para obtener una pieza final con la porosidad deseada, tanto en diámetro de poro como en la distribución de los mismos. Por otra parte, la baja porosidad inicial hace que la contracción del sinterizado sea menor y la alta densidad de dislocaciones incremente la velocidad de sinterizado. La compactación previa proporciona mayor densidad, control de forma y de dimensiones. Valga como ejemplo el incremento en los valores determinantes del sinterizado que experimenta el cobre preparado en partículas esféricas de 63 m de diámetro. El cociente X/D, razón entre el diámetro del cuello y el de la partícula, pasa de 0 a 0,5 cuando se realiza una compactación previa de 600 MPa. Además, cuando el sinterizado se realiza a 1.020°C, durante dos horas, la relación ΔL/L0, definida en la figura 2.3, pasa de 4 a 2,5 cuando se realiza la misma compactación previa. La compactación previa también contribuye a incrementar la densidad y el nivel de contacto, mientras que reduce la velocidad de crecimiento de cuello y la contracción, que es la aproximación entre centros de partículas. Dado que el tamaño de cuello es determinante en propiedades tales como la resistencia y la ductilidad, se puede afirmar que la compactación previa es beneficiosa. En los materiales compactados previamente al sinterizado las dislocaciones pueden interaccionar con las vacantes y mejorar, de esta forma, el transporte de masa. Algunos autores afirman que la velocidad de densificación mejora debido al trepado de dislocaciones. Las vacantes y las dislocaciones interaccionan permitiendo a las dislocaciones pasar a diferentes planos de deslizamiento. El efecto es especialmente activo al inicio del sinterizado, durante el calentamiento inicial.

2.4.1. La pieza en verde La compactación da forma al material y le dota de una resistencia mínima que facilita su manipulación. Se suele realizar rellenando un molde que, al igual que en el proceso de conformado por moldeo, posee la forma adecuada para que la pieza obtenida se adapte a las dimensiones deseables y sea susceptible de experimentar un tratamiento definitivo. Una vez que el polvo ha sido compactado de acuerdo con las características del molde y a la presión preestablecida, se extrae lo que se denomina la pieza en verde. Dado que la práctica habitual del conformado pulvimetalúrgico, y por tanto la sinterización, parten de lo que se denomina

100


pieza en verde, será conveniente definir alguna de las características que la determinan y su influencia en el producto final. En primer lugar se debe mencionar la densidad en verde v que es la densidad de la pieza en verde y lógicamente será un valor comprendido entre el de un volumen de polvo no compactado y el del material sólido. Se trata de la variable con mayor incidencia en las propiedades finales del sólido y está íntimamente ligada a la presión de compactación de los polvos. Si para realizar la compactación previa se rellena un molde de volumen V con una masa M de polvo, se puede definir la densidad aparente del material inicial como: a M/V

[2.10]

si la densidad del material es , entonces la densidad de la pieza en verde está ligada a la presión de compactación, pc, por una expresión del tipo: v 1 1 eKp a siendo K y n constantes del proceso.

冢

冣

n

[2.11]

c

La densidad aparente depende de la forma de los granos, de su tamaño y de la distribución de los mismos; cuando hay tamaños diferentes de grano, la mayor densidad se consigue cuando los granos pequeños pueden ocupar los huecos que quedan entre los grandes; mientras que cuando los granos son del mismo tamaño, la máxima densidad aparente se consigue con formas próximas a la esférica. Se pueden añadir lubricantes que permiten la acomodación de partículas bajo el efecto de la presión de compactación. Habitualmente, la compactación previa se realiza mediante un émbolo que actúa sobre una zona preferente, si a esto se une el rozamiento entre partículas la densidad aparente no será un valor homogéneo en todo el volumen de la pieza en verde, sino que decrecerá con la distancia del punto de la pieza considerado al punto de aplicación de la presión; variando también con el aumento o disminución del coeficiente de rozamiento del material y, si la forma es complicada, la variación será mayor en las zonas más recónditas. La temperatura es otra variable que favorece la compactación previa, ya que hay algunos procesos que unen las etapas de compactación previa y las de altas temperaturas con la aplicación de presiones iguales en toda la masa, este es el caso de la compresión isostática en caliente H.I.P que se tratará en un posterior apartado.

SINTERIZACIÓN

101

2.5. SINTERIZADO DE POLVOS MIXTOS Mediante el sinterizado de polvos mixtos se pueden obtener tres tipos de estructuras sinterizadas: estructuras con tamaño de partícula clasificado, soluciones sólidas y composites. La mezcla de polvos de la misma composición, pero tamaño de partícula heterogéneo, da lugar frecuentemente a productos de alta densidad. Dado que la homogeneización simultanea con el sinterizado puede ser una alternativa al conformado en polvos prealeados, la utilización de polvos mixtos puede tener las siguientes ventajas: facilidad para el cambio en la composición; mayor comodidad de compresión ya que el polvo tiene menor dureza frente a tensiones aplicadas; formación de estructuras más homogéneas y densificación mejorada. Aunque como contrapartida, el control de la temperatura debe realizarse de manera muy cuidadosa. Por otra parte, la intercara entre fases ayuda a la creación de vacantes que retardan el crecimiento de grano. El sinterizado de fases mixtas se realiza mejor con partículas muy pequeñas y menores distancias de difusión. Si la difusión de los diferentes polvos tiene velocidades muy diferentes, la formación de poros tiene lugar como consecuencia de la diferencia de difusividades, pudiendo aparecer protuberancias, sobre todo si los puntos de fusión son muy diferentes. El sinterizado de polvos mixtos es muy complejo debido a las diferentes reacciones de fase y a los efectos de homogeneización que son difíciles de controlar.

2.6. SINTERIZACIÓN FORZADA Se conocen por este nombre varias técnicas cuyo fin es disminuir la energía de activación con el objeto de sinterizar a temperaturas más bajas. La forma más eficaz de bajar la energía de activación del proceso es utilizar un dopante, un elemento minoritario cuyas características físicas favorezcan el proceso. Un caso típico es el del volframio utilizado para conseguir recubrimientos superficiales, que tratados con metales de transición tales como níquel, paladio o platino, se consigue que el proceso de sinterizado tenga un rendimiento muy superior al del volframio sin aditivos. En general, el elemento activador no supera, en masa, un 3% del total y para que se considere eficaz debe conformarse a temperatura inferior a la del material base, debe tener una gran solubilidad en el metal base y debe permanecer segregado en las intercaras durante el sinterizado, además debe tener un bajo punto de fusión. El punto de fusión más bajo influye en que

102


disminuya la energía de activación, mientras que la solubilidad garantiza que el activador no altera la estructura final del producto. Las adiciones químicas, hasta el momento, son el medio más utilizado y con mayor eficacia para activar el proceso de sinterización. La cinética de una sinterización forzada está determinada por la velocidad de difusión del elemento que actúa como activador. El espesor de las capas de activador es el parámetro más importante, aunque una concentración de activador por encima de la necesaria no mejora la cinética del proceso. Otros tipos de procedimientos activadores, tales como los tratamientos de radiación no han alcanzado, hasta el momento, el interés ni la eficacia de los aditivos químicos.

2.7. SINTERIZADO CON FASE LÍQUIDA En sistemas bifásicos que involucran polvos mixtos puede suceder que se forme una fase de bajo punto de fusión. Esta fase, que debe ser la procedente del polvo minoritario, se transforma en líquido dando lugar a un sistema mixto sólido-líquido. En dicho sistema el líquido puede permitir el transporte rápido de materia y, en consecuencia, agilizar el sinterizado, sobre todo si concurren ciertas condiciones: — Se debe producir la humectación, la fase líquida debe formar una película sobre la fase sólida. — El sólido debe ser soluble en el líquido. — La difusión de los átomos disueltos del sólido debe ser lo suficientemente rápida como para garantizar una evolución, también rápida, del sinterizado. La película líquida proporciona una tensión superficial que facilita la densificación, consiguiéndose velocidades muy por encima de las habituales en el sinterizado en fase sólida. Su eficacia es tal que incluso tiempos inferiores a 15 minutos, a la temperatura más alta posible, proporcionan un sinterizado con una densidad máxima. El líquido humectante debe actuar en zonas de pequeño ángulo de contacto , definido por el equilibrio de las energías superficiales de acuerdo con la expresión: SV SL LV cos

[2.12]

donde SV es la energía sólido-vapor, SL la energía sólido-líquido y LV la energía líquido-vapor.

103

SINTERIZACIÓN

Una vez mojado el polvo por la fase líquida, se organiza una estructura sólido-líquido que se puede esquematizar, tal y como se presenta en la figura 2.6, considerando que los dos granos están rodeados de líquido alcanzándose el equilibrio cuando los granos sólidos forman cuellos estables totalmente mojados. Esta condición de equilibrio es diferente a la del sinterizado en estado sólido, en la que el cuello entre granos evoluciona hasta el final del sinterizado.

FIGURA 2.6

En este tipo de sinterizado, el tamaño X de cuello estable viene dado por el tamaño de grano G y el ángulo de acuerdo con la ecuación: X G sen ( /2)

[2.13]

determinándose el ángulo por el balance de energía superficial según: SS 2 SL cos ( /2)

[2.14]

donde SS es la energía de superficie sólido-sólido, correspondiente a la energía de las fronteras de grano. Dependiendo de la fracción de volumen del líquido y de la magnitud de hay diferentes estructuras grano-líquido posibles. Habitualmente el ángulo es pequeño, del orden de 20-40° y el volumen de líquido no supera el 15% del total. Con estas condiciones la estructura resultante consiste en granos sólidos conectados entre si y una fase líquida intercomunicada. Cuando el volumen de fase líquida disminuye, el material tiende a comportarse como un sinterizado sólido-sólido. Por otra parte, con un exceso de fase líquida, se puede decir que por encima del 35% en volumen, todo el espacio que existe entre partículas es ocupado por el líquido

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tan pronto como este se forma y el conjunto puede ser excesivamente fluido como para ser compactado.

2.7.1. Densificación En el sinterizado con fase líquida, a partir del momento en que se ha formado el líquido fluye y moja las partículas sólidas, reagrupándose y así contribuyendo a su densificación. Con un calentamiento prolongado la cantidad de fase líquida se incrementa, ya que la fase sólida comienza a disolverse en ella hasta que se satura. En ese momento la fase líquida se convierte en la portadora de los átomos en fase sólida. Es un proceso denominado solución-precipitación en el que los granos pequeños se disuelven y, posteriormente, precipitan otra vez, integrándose en los granos mayores.

2.8. OPERACIONES PRÁCTICAS Y SUS EFECTOS El sinterizado es un proceso muy adecuado para conseguir piezas con propiedades muy específicas a partir de un material en polvo. En la práctica, aproximadamente un 70% de los sinterizados se realizan con fase líquida que supone hasta el 90% del valor final del producto. Los esfuerzos del fabricante se centran en optimizar la unión entre partículas mediante la reducción de óxidos, la homogeneización de polvos y la disminución de la porosidad grosera inicial. Dependiendo de las condiciones previas del material, lo que se llama material en verde, cuando ha sido compactado o aglomerado, pero antes de iniciar el proceso propiamente dicho de conformación pulvimetalúrgica, y de alcanzar la pieza prevista, el ciclo del proceso es muy variable. Esa es la razón de detallar la influencia de algunas operaciones prácticas previas que facilitan y, en gran medida, hacen viable la fabricación de piezas por vía pulvimetalúrgica. Las claves se encuentran en el control dimensional, reducción de óxidos, control de aleantes con especial atención del nivel de carbono en aceros, densificación y tensión de compactado. Para aleaciones compactadas en matriz, los cambios dimensiónales debidos al sinterizado deben ser inferiores al 0,1%. Para aceros inoxidables y otros materiales troquelados a altas temperaturas, el cambio dimensional puede llegar a un 2,5%. En algunos procesos para polvos precompactados, la contracción del sinterizado puede alcanzar un 15%. El sinterizado es el paso que influye más en las propiedades finales de un producto pulvimetalúrgico. Cuando el sin-

SINTERIZACIÓN

105

terizado es más intenso, la resistencia, dureza, ductilidad, conductividad térmica, conductividad eléctrica, permeabilidad magnética, resistencia a la corrosión y otras propiedades mejoran. Algunas de las operaciones prácticas más usuales y los efectos que producen se pueden resumir del siguiente modo: — El control del tamaño de partículas aumenta la velocidad del proceso, pero es más caro y además incrementa el nivel de impurezas. — Aumentar la temperatura de tratamiento proporciona una mayor densidad y hace más corto el sinterizado, pero es más caro e induce al crecimiento de granos y poros. — Incrementar la densidad del material en verde disminuye la contracción debida al proceso. — Aumentar el contenido de aleantes hace mayor la resistencia final. Es decir, existen múltiples operaciones prácticas que producen un efecto beneficioso en el procesado, aunque también pueden afectar negativamente a las propiedades finales si no están perfectamente controladas.

2.9. TÉCNICAS DE CONFORMADO EN CALIENTE A los materiales compactados pulvimetalúrgicamente se les pueden aplicar procesos secundarios de conformado igual que a cualquier otro material, simplemente teniendo en cuenta los parámetros de temperatura y velocidad de deformación adecuados. Dado que las características de procesos tales como forja, laminado, extrusión, aplicados a estos materiales no difieren de los ya expuestos en el Tema 1, se van a describir en los apartados siguientes aquellos procesos de conformado que son específicos de los materiales sinterizados.

2.9.1. Compactación isostática (HIP) Se trata de un proceso de compactación en el que se utilizan troqueles flexibles con presurización isotrópica y se conoce con el nombre de HIP por las siglas en inglés, Hot Isostatic Pressing. En ocasiones el material pulverulento se encapsula para evitar contaminaciones y pérdidas gaseosas, este material puede ser muy diverso, acero, tántalo, cristal, dependiendo de la temperatura máxima del proceso ya que debe ser deformable en el momento de la consolidación, produciéndose la consolidación

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en un recipiente con atmósfera controlada a presiones de unos 200 MPa. Generalmente se utiliza gas a alta presión, argon o nitrógeno, para calentar las piezas según el esquema que se presenta en la figura 2.7.

FIGURA 2.7

Este método es muy utilizado en la fabricación de componentes aeroespaciales con material base de superaleaciones de níquel, titanio y aluminio, así como para fabricar piezas de materiales compuestos y herramientas de acero. En los últimos tiempos se está desarrollando una técnica que combina el HIP con una reacción autosostenida de alta temperatura, que se denomina «compactación reactiva isostática en caliente» (RHIP). Por ejemplo, el material TiB2 denso se fabrica por este método a partir de una mezcla de polvos de titanio y boro que se encapsulan y procesan a 100 MPa y 700°C, en esas condiciones se activa una reacción que produce TiB2 y 293 kJ/mol, con lo que la reacción es autosostenida.

2.9.2. Compactación pseudoisostática La obtención de una presión hidrostática en HIP es muy cara por lo que se han desarrollado métodos alternativos para conseguir una presión uniaxial que actúe sobre un sistema de viscosidad media, conteniendo un material en polvo preconformado. El elemento que hace posible el proceso es el bajo punto de fusión de algún componente, metal blando o sólido granular.

107

SINTERIZACIÓN

El medio transforma la presión uniaxial en una fuerza pseudohidroestatica cuya magnitud es un tercio, aproximadamente, de la tensión aplicada.

2.10. SPRAY FORMING El proceso de spray forming utiliza un atomizador para producir una difusión de partículas que se depositan en un substrato móvil con la forma de la pieza que se desea fabricar, obteniéndose una solidificación rápida con una densidad muy elevada. El proceso se aplica en aleaciones de níquel, cobre y aluminio. Una de las primeras aplicaciones del spray forming fue la fabricación de tubos para submarinos con la aleación Ni21Cr-9Mo-4Nb; su microestructura era de grano fino sin segregaciones de tamaño apreciable, con un límite elástico de 500 MPa y 30% de alargamiento a rotura, siendo la resistencia máxima de 1.000 MPa. En la figura 2.8 se presenta un esquema que representa este proceso.

FIGURA 2.8

108

2.11.


PLASMA SPRAY

De forma similar a un difusor se puede utilizar una antorcha de plasma con una temperatura superior a los 5.000°C y teóricamente inferior a 30.000 °C. El polvo de metal es proyectado sobre un substrato, que al hacer contacto con el mismo, las partículas van depositándose y solidificando. Hay partículas que han solidificado en el trayecto y se embeben en la zona más fluida que va envolviendo la guía, consiguiéndose así un recubrimiento de alta densidad. Se debe alcanzar un equilibrio en el tamaño de las partículas para que, por una parte se desplacen rápidamente y no sean excesivamente pequeñas y por otra, para que no se aglomeren antes de tiempo. Un tamaño de 40-80 m se considera óptimo. El uso más generalizado de este proceso se hace en recubrimientos densos que protegen de la oxidación, corrosión o ataque térmico. Un esquema de este proceso se muestra en la figura 2.9.

FIGURA 2.9

109

SINTERIZACIÓN

2.12.

APLICACIONES

La técnica del conformado pulvimetalúrgico se aplicó, en sus orígenes, a materiales avanzados y prácticamente experimentales, pero se ha extendido a casi todas las áreas de la metalurgia. La enumeración de los campos actuales de aplicación sería extremadamente extensa, pero cualquiera que sea la envergadura de un trabajo sobre la pulvimetalurgia, debe detallar su uso en los componentes férreos estructurales, que es el campo de mayor aplicación de esta técnica. Si se tienen en cuenta las razones que dieron origen al uso de la pulvimetalurgia en la tecnología, se alcanza la conclusión lógica de que el abanico de aplicaciones comerciales se abre cada vez más y es cada vez más competitiva hasta el punto de desplazar a tecnologías tradicionales. Técnica

Ventajas frente pulvimetalurgia

Desventajas frente pulvimetalurgia

Conformado en frío

• Producción más rápida • Mayor resistencia • Mejor acabado

• Menor precisión • Menor vida útil

Extrusión

• Piezas más largas • Producción rápida

• • • • •

Sección constante Menor precisión Elevado consumo Geometrías limitadas Vida útil baja

Estampado

• Elevada precisión • Producción rápida • Gran tamaño de piezas

• • • •

Materiales limitados Exceso de deshecho Aristas toscas Dificultad en piezas pequeñas

Moldeo

• Técnica contrastada • Gran abanico de tamaños • Bajo coste

• No utilizable para refractarios • Heterogeneidades y poros

Forja en caliente

• Altas propiedades mecánicas • Tamaños grandes • Geometrías complejas • Producción rápida

• Deshechos excesivos • Pobre control dimensional • Inclusiones y defectos

Mecanizado

• Alta precisión • Uso generalizado

• • • • TABLA 2.2

Exceso de residuos Baja productividad Propiedades no uniformes Elevado coste

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Es por ello, que en este apartado se hace una recopilación, no exhaustiva, de las ventajas e inconvenientes del conformado pulvimetalúrgico frente a otros procesos, recopilación que se encuentra en la tabla 2.2. Por otra parte, hay piezas o materiales que solo pueden fabricarse o procesarse mediante pulvimetalurgia, como es el caso de la producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas. En el área de los componentes estructurales existe una amplia gama de productos, sobre todo aleaciones férreas, que aprovechan las características de la sinterización. Por ejemplo, el sector de automoción incluye, cada vez más, piezas de geometría compleja tales como el engranaje que se muestra en la figura 2.10, que corresponde a un piñón de ataque al cigüeñal, siendo posible el control dimensional con tolerancias inferiores a 0,025 mm y 0,1 g/cm3. La combinación de bajo costo y unas características mecánicas aceptables determinan el tipo de acero a utilizar.

FIGURA 2.10

En general, el campo de utilización de materiales sinterizados se hace más extenso día a día, valiendo como ejemplo, el cuchillo que se presenta en la figura 2.11, cuya hoja está realizada en tres capas, las dos exteriores son de acero inoxidable templado, mientras que la central es de acero sinterizado con un elevado contenido en carburos; esta distribución confiere una elevada dureza al filo y una apreciable tenacidad.

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SINTERIZACIÓN

FIGURA 2.11

En la figura 2.12 se muestran diversas piezas de precisión elaboradas mediante procesos pulvimetalúrgicos. Como se puede apreciar, tienen como factor común la complicada geometría y la precisión dimensional, así como un excelente acabado superficial. Desde filtros metálicos y cojinetes porosos, hasta herramientas de elevada dureza son susceptibles de fabricarse competitivamente mediante la pulvimetalurgia.

FIGURA 2.12

112


En definitiva, se puede decir que el sinterizado se aplica con éxito en los siguientes campos: — Materiales de porosidad controlada: filtros, difusores, controladores de flujo, absorbentes acústicos, implantes biomédicos. — Aplicaciones eléctricas en materiales refractarios: el elevado punto de fusión de filamentos de volframio, molibdeno o iridio obliga a utilizar técnicas que no conlleven la fusión del material. — Materiales resistentes a la fricción: mordazas, zapatas, discos de freno tanto en automoción como en aviación, pudiendo ser el material base tanto acero como cobre. Comparado con los materiales tradicionales, el material sinterizado posee mayor coeficiente de fricción, mayor estabilidad térmica y mayor resistencia a los cambios debidos a la humedad. — Materiales resistentes a altas temperaturas: componentes para turbinas que se fabrican con superaleaciones. — Materiales resistentes a la corrosión: para piezas de ortodoncia, instrumental quirúrgico. El material base suele ser acero inoxidable austenítico o titanio. — Materiales de alta dureza: suelen ser materiales endurecidos mediante carburos, nitruros o carbonitruros de vanadio, cobalto, cromo, volframio; fabricándose con ellos hojas de corte, fresas de precisión y brocas. Por último, se utilizan para la fabricación de piezas resistentes al desgaste y para piezas de alta o baja densidad, y finalmente se debe destacar que en los materiales compuestos los distintos procesos pulvimetalúrgicos ofrecen un amplio campo de aplicaciones.

Tema 3 TÉCNICAS DE UNIÓN

3.1. INTRODUCCIÓN El avance tecnológico que ha tenido lugar a lo largo del tiempo está íntimamente relacionado con el desarrollo de las diferentes técnicas de unión entre materiales o entre partes de dispositivos. La unión de un conjunto de troncos mediante lianas o sogas permitió construir almadías e iniciar el transporte marítimo y fluvial. Las primeras armas con una tecnología apreciable se desarrollaron cuando las técnicas de unión, entre la piedra o los huesos, afilados como puntas o arpones, y la madera que permitía blandirlos o lanzarlos, fueron suficientemente fiables, y si se hace referencia a las técnicas de unión mediante adhesivos se puede recordar que Ícaro y Dédalo unieron las alas que usaron para escapar de su prisión, con cera. El hecho de que al aproximarse demasiado al sol la cera se fundiera no resta mérito al adhesivo, sirve para constatar una constante de la humanidad a la que le es más sencillo desarrollar nuevas técnicas que controlarlas o hacer buen uso de ellas. Aparte de la mitología, es un hecho histórico que los adhesivos realizados a base de pez y resina han sido utilizados desde tiempos inmemoriales. Hace 6.000 años los Sumerios ya dominaban las técnicas de unión metal-madera mediante adhesivos y los romanos generalizaron el uso de colas fabricadas con caseína, piel y pescado. Actualmente, la mayoría de los adhesivos son de naturaleza polimérica, moléculas gigantes que actúan conjuntamente con el sustrato haciendo que las moléculas de adhesivo y sustrato permanezcan fuertemente unidas. Para no olvidar ninguna de las técnicas de unión se debe recordar que los Tartesios utilizaron procesos de difusión atómica para unir metales preciosos, tal y como se puede constatar en piezas del tesoro del Carambolo; técnicas de difusión atómica se siguen utilizando,

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pero ya no de forma empírica o casi mágica sino desde el conocimiento preciso de los diferentes mecanismos involucrados, pudiendo considerarse la unión de materiales cerámicos o metálicos por difusión uno de los aspectos mas avanzados de la unión entre materiales. Básicamente, estos han sido los métodos utilizados para unir partes en un todo útil, o sea materiales externos que dotaban de rigidez o estanqueidad, por medios mecánicos, a un conjunto de piezas; materiales que se integraban sin solución de continuidad, adhiriéndose a las partes que se pretendían unir y procesos físicos que conseguían hacer un todo sólido de las piezas puestas en contacto. No se puede olvidar que la unión más poderosa la proporciona la misma naturaleza, cuando los átomos están suficientemente próximos, las fuerzas de Van der Waals son las que actúan de forma prioritaria y aunque son más débiles que otros tipos de interacción atómica, existen aun sin solapamiento de átomos o moléculas. Si se pusieran en contacto íntimo dos superficies metálicas perfectamente pulidas no sería posible separarlas.

3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS UNIONES En la introducción se ha esbozado una clasificación de las uniones, atendiendo a los mecanismos utilizados para realizarlas, a falta de uno de los tipos de unión más antiguo y extendido al que se podría denominar geométrico, que es la técnica de ensamblaje aplicada a las maderas y hoy en día también a los polímeros, metacrilatos, etc. Se podría considerar entonces, atendiendo a los métodos, que hay cuatro grandes familias de técnicas de unión que utilizan: — Dispositivos o accesorios: grupo en el que se pueden incluir ligaduras, juntas, grapas, clavado, atornillado, roblonado. — Adhesivos: comprende toda la gran familia de adhesivos naturales y artificiales. — Procesos físicos: engloba los procesos de soldadura y los de difusión con o sin aporte de material externo. — Ensamblajes: se configuran las partes de forma que encajen y puedan permanecer solidarias. Atendiendo al factor tiempo se puede hablar de uniones: — Provisionales: su objetivo es solucionar de forma inmediata un problema, buscándose la rapidez de respuesta más que la durabilidad.

TÉCNICAS DE UNIÓN

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— Temporales: deben ser eficaces pero, a la vez, permitir su eliminación para operaciones de mantenimiento o revisión. — Permanentes: deben convertir las partes en un todo, de forma que su vida útil coincida con la vida del producto. Aunque no sea una clasificación habitual, al hablar de técnicas de unión se debe tener en cuenta el material al que se van a aplicar las mismas. De forma no exhaustiva se deben considerar como diferentes, a la hora de ser unidos, materiales isotrópicos, tales como los metales; materiales resistentes a compresión como son cementos, cerámicos y maderas; y por último, materiales porosos y no porosos, ya que las peculiaridades resistentes de cada uno de ellos determinan los tipos de unión que mejor soportan. Dado que los diferentes elementos de unión pueden aplicarse, en ocasiones, a materiales de diferentes clases se van a enumerar de acuerdo con los métodos, indicando a que tipo de materiales van destinados.

3.3. TÉCNICAS DE UNIÓN MEDIANTE DISPOSITIVOS O ACCESORIOS Obviando las lianas, cuerdas, utilizadas tanto para atar como para coser, no porque estén en desuso sino porque su manipulación es prácticamente atávica, se puede decir que en esta categoría se encuentran, generalmente, elementos de unión temporales, excepto los roblones o remaches. Puntas El dispositivo de unión más antiguo y sencillo es el clavo o más estrictamente la punta, es un dispositivo que se aplica a la unión y sujeción de materiales no frágiles, generalmente madera y sus derivados, corcho, yeso, etc. Normalmente las puntas están fabricadas en acero de diferentes calidades y pueden estar protegidas mediante un galvanizado o un baño de metal que las hace más resistentes a la corrosión, su forma alargada y esbelta debe tener la rigidez suficiente como para penetrar en la madera sin doblarse y a la vez ser tenaces para no partirse fácilmente y, cuando se considera conveniente, ser remachadas. Las puntas pueden utilizarse conjuntamente con algún tipo de adhesivo que incremente la rigidez y duración de la unión. Su aplicación es

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posible cuando el material posee la suficiente elasticidad como para ser penetrado sin fragmentarse y someter a un esfuerzo de compresión apreciable a la punta clavada. Para mejorar la sujeción se puede remachar el extremo aguzado de la punta por martilleo, de forma que sus dos extremos comprimen las piezas clavadas. Las puntas están constituidas por dos partes, tija y cabeza. La tija suele ser cilíndrica, de superficie lisa, acanalada o rugosa aunque hay puntas de tija plana o piramidal. Atendiendo al tipo de cabeza se pueden clasificar como: — De cabeza plana: se utilizan en el ensamblaje de madera, sobre todo en la unión de chapas de poco espesor. — De punta perdida: se utiliza cuando, por razones de estética, no se desea que se vea la cabeza, tienen la cabeza reducida y casi como prolongación de la tija, de forma que penetra fácilmente en la pieza. — De cabeza ancha: sirven para fijar placas en trabajos de construcción, pizarras, placas asfaltadas, etc. y dado que los materiales que unen podrían desmoronarse y perder rigidez, se fabrican con una cabeza amplia y plana, que incrementa la superficie de compresión. — De acero templado: son puntas de extremada dureza que permiten fijar un material relativamente blando, como madera o plasterboard, que son placas de material compuesto de cartón y yeso o cemento fibroso, o actuar sobre materiales más rígidos, tales como el hormigón o el ladrillo. — Entorchadas: son un híbrido entre la punta y el tornillo, se emplean en armaduras de construcción, encofrados y pueden usarse con herraje de anclaje. — Tachuelas y clavos de tapicero: sirven para unir tela o cuero a la madera, los clavos de tapicería suelen tener la cabeza hueca de forma que aplicados después de las tachuelas, las cubren con fines estéticos. — Escarpias: no son rectos, sino que se curvan de forma que, además de unir, permiten colgar objetos. — De pata: sirve para fijar chambranas y ventanas en obras de mampostería. — De caballete: son curvados, aguzados en ambos extremos, y se usan para unir entramados o alambres a los postes y para unir cables sobre mampostería.

117

TÉCNICAS DE UNIÓN

En la figura 3.1 se pueden observar diferentes tipos de puntas.

FIGURA 3.1

Tornillos El paso evolutivo lógico de la punta es el tornillo, que se puede definir como la pieza, generalmente metálica, de cuerpo cilíndrico o cónico, con resalte en hélice y cabeza apropiada para ser roscado. En efecto, la unión realizada mediante puntas adolece de rigidez y además, el material tiende a envejecer relajando la presión que ejerce sobre la punta, por lo que el conjunto unido mediante puntas se colapsa o separa. Como se ha mencionado anteriormente las puntas pueden reforzar su acción de unión mediante adhesivos o haciendo rugosa su superficie, la lógica lleva a diseñar una superficie cuya rugosidad esté adaptada al fin que se persigue, incrementar la fuerza de unión entre partes e impedir que el envejecimiento o contracción de las mismas haga inútil la acción del dispositivo. Un resalte en hélice, también llamado fileteado, cumple perfectamente con estos propósitos. Si la tija en lugar de cilíndrica se hace cónica ejerce el efecto adicional de incrementar la presión sobre el material según avanza a su través. Con estas premisas se concluye con la fabricación del primer tornillo para unión de maderas, denominado tirafondos, cuyo uso se ha extendido hasta nuestros días. El siguiente paso se encamina a sustituir el remachado de puntas como elemento de seguridad y afianzamiento de uniones, lo que se consigue mediante el tornillo pasante, es decir que mediante un taladro efectuado en el material lo atraviesa sobresaliendo por ambas partes, pero el tornillo pasante ya no se remacha sino que su fileteado se rosca en una tuerca, elemento metálico hueco cuya superficie interior esta fileteada de forma compatible con el tornillo, el conjunto se denomina perno. En la figura 3.2 se presentan dos ejemplos uno de tirafondos y otro de perno, mostrándose con ellos un elemento auxiliar de fijación, la aran-

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dela, que permite roscar la tuerca sin dañar el material base ya que la tuerca gira sobre la arandela.

FIGURA 3.2

Haciendo un inciso, cuando la arandela colabora en la fijación y no solo favorece el roscado, adopta diversas formas, helicoidal en el caso de la arandela Grower, o troncocónica como es la Beleville. Las arandelas, además de aumentar la superficie de contacto sobre el material unido, impiden que se afloje la tuerca, sea por su geometría en el caso de la arandela Grower, o porque mantienen una tensión constante entre la tuerca y la base, en el caso de la Beleville. En la figura 3.3 se muestran una arandela Grower, a la izquierda, y una de estrella, a la derecha.

FIGURA 3.3

Los tornillos pueden clasificarse según el tipo de cabeza, igual que las puntas, o más específica y comúnmente por el tipo de fileteado. De acuerdo con el tipo de cabeza se pueden considerar aquellos cuya cabeza se

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TÉCNICAS DE UNIÓN

rosca mediante llave y los que se roscan mediante destornillador. Los más comunes de los primeros son los de cabeza hexagonal y cuadrada, tal y como se muestran en la figura 3.4, en la que también se detallan las cabezas roscables mediante destornillador más comunes, incluido el tornillo sin cabeza de la derecha.

FIGURA 3.4

Hay cabezas roscables mediante llaves especiales como la Allen, exagonal y otros cuya finalidad general es hacer más segura la fijación del tornillo. En la figura 3.5 se muestran, de izquierda a derecha, las cabezas avellanada, redonda, Allen y de estrella.

FIGURA 3.5

Otras tuercas de uso corriente son la almenada y la ciega, que se muestran en la figura 3.6; la almenada dispone de ranuras que permiten

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alojar un pasador de seguridad, mientras que la ciega termina en un casquete esférico que protege la rosca y asegura su estanqueidad.

FIGURA 3.6

Fileteado Al ser el fileteado o rosca el elemento diferencial del tornillo, una de las formas de clasificarlo y determinarlo será caracterizar la rosca que posee. Dada la antigüedad del tornillo como elemento de unión, existen elementos del mismo que han permanecido inamovibles desde su origen. Los primitivos gremios artesanos determinaban el fileteado de los tornillos que usaban como un marchamo diferenciador, debido a lo cual además de la rosca normalizada ISO, todavía están en uso roscas específicas, tales como la rosca inglesa o Whitworth en conducciones de gas, la rosca Thury o suiza, en relojería, la rosca Briggs en grifería. En tornillos sometidos a grandes esfuerzos, como son los tornillos de banco o los de prensas, se utilizan las roscas cuadrada, trapecial e, incluso, la redonda, aunque son roscas difíciles de realizar. De forma análoga se pueden clasificar las roscas de las tuercas. El roblonado o remachado Cuando se pretende unir partes metálicas de manera más permanente que aquella que proporcionan los pernos y, a la vez, no se requiere dotar de estanqueidad al conjunto, o se le dota de estanqueidad mediante medios auxiliares, se recurre al remachado. Un roblón es un tornillo sin rosca, es decir una pieza cilíndrica dotada de cabeza, llamada cabeza de asiento que se recalca directamente en el cilindro y su forma determina el nombre del roblón. La unión mediante roblones se realiza a través de perforaciones practicadas en las piezas a unir de forma que el roblón actúa como un tornillo pasante, la diferencia estriba en que el roblón no se ros-

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TÉCNICAS DE UNIÓN

ca a la última pieza a unir, ni se sujeta mediante una tuerca, sino que la parte de roblón que sobresale de la estructura es remachada hasta formar una segunda cabeza que impide que el roblón se suelte. En la figura 3.7 se esquematiza la unión con tornillo y con roblones.

FIGURA 3.7

Hace algunos años el remachado se utilizaba, de forma generalizada, en lo que se denominaba calderería pesada, entre las que se encontraban las estructuras metálicas para edificios y puentes; en la construcción naval y aeronáutica, en ferrocarriles, etc. Aunque en la actualidad existen métodos alternativos para realizar uniones de gran envergadura, sigue siendo una opción utilizada en construcción naval y aeronáutica. Como se ha mencionado anteriormente, el tipo de cabeza da nombre al roblón, estando las cabezas normalizadas y designándose con una letra. Las distintas formas normalizadas son: — Cabeza plana, cilíndrica, de diámetro doble que el roblón y que se designa con la letra C. — Redonda, en forma de casquete esférico, flecha 0,7 veces el diámetro del roblón y radio de la base 1,7 veces el diámetro del roblón, designado por la letra R.

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— Gota de sebo, la misma forma que la anterior, pero la flecha es de 0,5 veces el diámetro del roblón y el radio de la base doble que el del vástago, se designa con la letra G. — Avellanada, troncocónica la base superior tiene un diámetro doble que el vástago y las generatrices forman 45° o 30° con el eje y el diámetro es 1,5 veces el diámetro de la espiga, en el primer caso se designa por F/90 y en el segundo F/60. — Avellanada abombada, consta de dos partes, la prolongación del vástago es troncocónica y a continuación tiene una sector esférico, el diámetro superior del tronco tiene un diámetro doble que el del vástago, y las alturas del tronco de cono y el sector esférico son, respectivamente, la mitad y un cuarto del diámetro, el ángulo de las generatrices puede, como en el caso anterior, formar 30° o 45° con el eje designándose por FB/60 y FB/ 90. Los esquemas de todas las cabezas de roblones mencionadas se presentan en la figura 3.8.

FIGURA 3.8

Otras dos magnitudes que intervienen en la designación de los roblones, son el diámetro del vástago o caña y la longitud del mismo, excepto en el caso de los roblones F y Fb.

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TÉCNICAS DE UNIÓN

Se llama paso a la distancia entre ejes de dos remaches consecutivos, siendo necesario para colocar bien un remache que las piezas a remachar estén perfectamente sujetas y que la cabeza del remache no se mueva cuando se golpea el extremo a recalcar.

Otros dispositivos Hay una gran variedad de dispositivos que permiten unir partes en un todo. Los más habituales son abrazaderas y racores. Las abrazaderas son dispositivos que constan de una pletina y un tornillo que permite fijarlas sobre las piezas a unir, generalmente tubulares. Los racores son dispositivos fileteados interiormente que unen tubos roscados en sus extremos, pudiendo ser rígidos o flexibles de acuerdo con la finalidad que tengan. Algunos ejemplos de abrazadera se presentan en la figura 3.9, con tornillo de apriete, de cremallera, para tubos y de plástico. En la figura 3.10, de izquierda a derecha se muestra, un racor interno de doble diámetro y dos racores de latón rosca-tubo, mientras que en la 3.11 se presenta un racor de polivinilo, acodado, con uno de sus extremos desmontado.

FIGURA 3.9

124


FIGURA 3.10

FIGURA 3.11

3.4. UNIÓN MEDIANTE ADHESIVOS Se ha mencionado en la introducción a este tema la antigüedad que el uso de sustancias adhesivas tiene, así como su importancia en el desarrollo tecnológico. Los primeros adhesivos eran sustancias naturales que se apli-

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caban a materiales naturales, sobre todo a la madera. Cuando se empezaron a utilizar materiales más resistentes, metales, cementos, plásticos, cerámicas, etc. el papel del adhesivo dejó de ser el de coadyuvador, en igualdad de condiciones, a la resistencia del conjunto, pasando a ser complemento de otro tipo de uniones tales como puntas, tornillos, ensamblajes, etc. Con el desarrollo de la química orgánica, los adhesivos experimentaron un avance extraordinario, basado en la aplicación de polímeros a la unión química de elementos destinados a trabajar como un todo. La resistencia de las uniones así realizadas, alcanza valores que permiten utilizar las piezas adheridas como elementos estructurales. Sin embargo, no se debe olvidar que la madera sigue siendo el material estructural más utilizado del planeta y, también, que el cemento Portland o aluminoso se utiliza con gran profusión como adhesivo entre piezas estructurales o auxiliares, sean del mismo material, como por ejemplo bovedillas, viguetas o tuberías, o sean de materiales coherentes como por ejemplo ladrillos. En estos casos la adherencia suele ser física, hay una ocupación de las rugosidades, poros, inherentes a estos materiales, que permite la trabazón o fijación del conjunto. Los diferentes tipos de fijaciones determinan, en gran medida, la idoneidad de cada tipo de adhesivo. Quizás el punto débil de la unión realizada mediante adhesivos esté en su baja resistencia a los esfuerzos de tracción y es, también, en ese terreno donde la utilización de los nuevos adhesivos poliméricos ha obtenido mejores resultados. En todo caso y recordando lo que se decía en la clasificación de elementos de unión, de acuerdo con el tipo de material al que se aplicaban, se tratará de proporcionar una panorámica de los usos de los adhesivos, teniendo en cuenta sus características intrínsecas y su campo de aplicación. Atendiendo al mecanismo de unión, los adhesivos pueden ser químicos, físicos o químico-físicos. La unión física, como se comentaba en el párrafo anterior, en referencia a los materiales tradicionales, consiste en la trabazón de elementos mediante una sustancia que ocupa los intersticios e irregularidades del material. La unión química se debe a la interacción entre las moléculas de adhesivo y las de sustrato, generalmente fuerzas de Van der Waals. De acuerdo con sus características se pueden clasificar en inorgánicos y orgánicos, pudiendo ser los orgánicos naturales y sintéticos. Desde un punto de vista práctico se pueden clasificar los adhesivos en las siguientes categorías: — Con base acuosa. Son dispersiones o disoluciones de polímeros en agua, que al evaporar el disolvente provoca fraguar el conjunto.

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Pueden ser colas celulósicas, habitualmente carboximeticelulosa o metilcelulosa, o vinílicas que contienen poliésteres vinílicos. — Con disolvente orgánico. Son disoluciones de polímeros, más rápidos en fraguar que los anteriores ya que los disolventes orgánicos se evaporan más rápidamente que el agua. Un subgrupo de estos adhesivos es el de impacto, cuyo nombre proviene de la forma de aplicación, sobre las superficies a unir y, pasado un tiempo en el que se realiza una evaporación parcial del disolvente, se unen fuertemente; los solventes utilizables pueden ser, acetato de polivinilo y copolímeros, colas naturales o sintéticas, nitrocelulosa, acrilatos o poliuretanos. — Reactivos. Son aquellos en los que no existe un disolvente que al evaporar provoque el fraguado sino que se produce un polimerizado que provoca el endurecimiento del conjunto. Pueden ser anaeróbicos, que son los que fraguan a temperatura ambiente sin necesidad de oxígeno; cianocrilatos, que polimerizan al contactar con superficies alcalinas; epoxis que fraguan por reacción entre una resina epoxi y un endurecedor, caracterizándose por tener una excelente resistencia en ambientes agresivos y una elevada resistencia a rotura en tracción y cizalla; poliuretanos que pueden fraguar por reacción de un prepolímero poliuretánico, con terminales isocianato o con la humedad ambiental, denominados bicomponentes, o aquellos que fraguan por reacción química entre un poliéster y un isocianato; siliconas, que fraguan solamente con humedad ambiental, siendo el polímero base un polisiloxano que reacciona con un silanoderivado, en la reacción puede desprenderse ácido acético, siliconas ácidas; oximas, siliconas neutras; aminas, siliconas básicas; alcoholes, etc. — Hot-melts o termofusibles. Son materiales termoplásticos sin disolvente, substancias que se funden para ser aplicadas mientras están en estado pastoso, las partes a unir deben ser puestas en contacto inmediatamente ya que se produce una tensión inicial de adhesión muy rápidamente; dependiendo de la estructura química pueden ser de etileno-vinilacetato-copolimero, poliamida, poliéster saturado u otros tipos de componente, estando su procesado entre 120 y 240°C. — Plastisoles. Son adhesivos, sin disolvente, que se aplican a una temperatura comprendida entre 140 y 200°C, consisten en partículas ultrafinas en suspensión, de cloripolivinilo o polimetacrilato con plastificantes.

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— UV. Son adhesivos de material base acrilato o resinas epoxi, cuya polimerización, y consecuentemente su endurecimiento, se inicia bajo el efecto de la luz ultravioleta.

3.5. ENSAMBLAJE Se llama ensamblaje a la conexión o unión de dos o más piezas, habitualmente de madera, pero que también pueden ser de plástico, metacrilato o cualquier material susceptible de ser cortado y tallado de forma que unas piezas, así trabajadas, encajen en otras, de forma rígida. En muchas ocasiones, además del encastre entre piezas, se refuerza la unión mediante adhesivos, puntas, tornillos, etc. Una de las piezas tiene forma de lengüeta, espiga, y se introduce o incrusta en la otra. Un ejemplo sencillo se presenta en la figura 3.12, en la que se puede observar una pieza tallada con espiga de forma que se insertaría en otra pieza horadada, denominada mortaja.

FIGURA 3.12

Además del ensamblaje a tope, simple contacto reforzado mediante adhesivo o puntas, los ensamblajes más habituales son: — Ensamblaje de caja y espiga, unión de piezas labradas en espiga con otras labradas en mortaja tal y como se muestra en la figura 3.13. — Ensamblaje de cola de milano, análogo al anterior, pero la espiga adopta una forma trapezoidal que recuerda la cola del milano, un esquema de la misma se muestra en la figura 3.14.

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— Ensamblaje recto de media madera, caracterizado por tener espigas más finas y numerosas que el de caja y espiga, tal y como se muestra en la figura 3.15. Suele reforzarse con adhesivo. — Machihembrado, ensamblaje en el que una lengüeta tallada en la dimensión mayor de una tabla se inserta en la ranura o hembra labrada en la adyacente, tal y como se muestra en la figura 3.16.

FIGURA 3.13

FIGURA 3.14

FIGURA 3.15

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FIGURA 3.16

3.6. SOLDADURA Etimológicamente soldar significa consolidar; se puede afirmar, de acuerdo con este significado que la soldadura ideal sería aquella que produjera una continuidad absoluta de las partes unidas de forma que fuera indiscernible la frontera entre ellas. Lo más simple sería aproximar en vacío dos superficies pulidas con precisión atómica, de forma que los electrones de ambas caras se intercambiaran generando nuevos enlaces. El proceso que más se aproxima a esta situación es el de difusión atómica, proceso que, como se mencionó al principio de este tema fue utilizado para unir piezas de oro en el llamado tesoro del Carambolo, ajuar tartésico hallado en 1958, una de cuyas piezas se muestra en la figura 3.17.

FIGURA 3.17

En la actualidad se está trabajando en métodos que posibiliten la soldadura por difusión de forma rentable. Un ejemplo de ese tipo de

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unión, desarrollada en la Universidad de Sevilla por el profesor Domínguez, muestra, en la figura 3.18, como dos tipos de Ytria con una estructura de grano fino acomodan sus fronteras, en condiciones de temperatura y presión adecuadas, mediante mecanismos de deslizamiento de fronteras de grano, de forma que sometida a una prueba de dureza, la grieta generada no se propaga por el hipotético límite entre materiales sino que lo hace en el material más frágil, tal y como se muestra en la figura 3.19. Por desgracia el proceso es lento y poco económico por lo que su uso, por el momento, se limita al ámbito de la investigación.

FIGURA 3.18

FIGURA 3.19

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En la practica se puede definir la soldadura como la operación que permite unir partes en una sola pieza, asegurando la continuidad entre ellas mediante calentamiento o/y presión con o sin el empleo de un material de aportación que disponga de características físicas compatibles con el procedimiento específico utilizado. La soldadura se considera realizada cuando se verifica la interpenetración granular entre partes, directamente o mediante el material de aportación. Aunque la importancia de la soldadura es muy grande en el campo de la tecnología de materiales, en este texto no se trata con la amplitud que le correspondería, puesto que se estudia en Asignaturas específicas dentro del plan de estudios vigente.

3.6.1.

Clasificación

Se pueden considerar, en forma muy general, cuatro grandes grupos de procedimientos para efectuar la soldadura de materiales: — Soldadura con fusión. — Soldadura sin fusión. — Soldadura fuerte. — Soldadura blanda. Soldadura con fusión La soldadura con fusión engloba aquellos procedimientos caracterizados por la presencia de una fase líquida, sea del metal base, del de aportación si lo hubiera o de ambos. Dentro del grupo de soldadura con fusión se pueden considerar la soldadura en la que la fusión se realiza con gases combustibles, acetileno, propano, gas natural, hidrogeno, etc. Otro grupo encuadrado en la soldadura con fusión es el que utiliza como fuente de energía el arco eléctrico. Dentro de este grupo se deben diferenciar diversos sistemas: — Procedimientos al arco con protección de fundente, son aquellos en los que se utiliza un polvo protector similar al empleado como revestimiento protector en electrodos. Los fundentes pueden ser, fundidos, partiendo de minerales tales como cuarzo, dolomía, caolín, o bien manganeso, que se mezclan en seco y se fusionan en arco eléctrico a unos 1.500°C, aglomerados en los que se utilizan silicatos, fluoruros, óxidos de hierro o carbonatos que al ser muy

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higroscópicos requieren de un almacenamiento cuidadoso y mixtos. Aunque se puede hablar de diferentes métodos dentro de este apartado, el más importante es el de arco sumergido. — Procedimientos al arco con protección de gas, que pueden ser de CO2; de un gas inerte con electrodo de volframio, TIG; de plasma; de gas inerte y electrodo consumible, MIG; de gas activo y electrodo consumible, MAG. — Procedimientos al arco sin protección de tiempo corto, que puede ser por percusión, por descarga de chispa, por espárragos, o por excitación magnética. El siguiente grupo es el de soldadura por resistencia, que utiliza el calor producido por una corriente de acuerdo con la ley de Joule y que pueden ser por puntos, Roldana, resistencia y alta frecuencia, inducción y alta frecuencia, resaltes, chisporroteo o electroescoria Por último, dentro de este grupo el proceso mediante partículas de alta energía puede ser por láser o bombardeo electrónico. Soldadura sin fusión Son procesos en los que no existe fase líquida y se basa en la ruptura de las superficies de contacto, y su interacción sea por forja, presión en frío o caliente, inducción, fricción resistencia, ultrasonidos, explosión o alta frecuencia. Mención especial merece el proceso de unión para metales más antiguo constatable, la soldadura por forja. Hasta el siglo XIX en que se descubrió la soldadura por fusión era el único sistema utilizado para soldar metales. El método es relativamente sencillo, se calientan los extremos a unir hasta alcanzar un estado plástico, en ese momento se colocan superpuestos y mediante presión, percusión, prensa o rodillos, se consigue la consolidación del conjunto. La experiencia y precisión de los herreros, forjadores, caldereros, determinaba la calidad del producto. La limpieza de superficies y, sobre todo el ciclo térmico, posibilitaba que la unión fuera correcta y que por lo tanto no fuera esponjosa ni frágil. Soldadura blanda Es un proceso de soldadura con metal de aportación cuya temperatura de fusión es inferior a 450°C. No produce deformaciones en el conjunto soldado pero tampoco se caracteriza por conferir una gran resistencia mecánica, los metales de aportación suelen ser plomo, estaño, zinc, cadmio.

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Soldadura fuerte Se refiere al grupo de procedimientos en los que el metal de aporte tiene una temperatura de fusión igual o superior a los 450°C, esta temperatura es muy inferior a la de fusión del material base, se subdivide en los siguientes subgrupos: — Con soplete o artesano. — En horno. — Por inducción. — Por resistencia. — Por inmersión. — Por fluencia. — Por arco de carbono. La soldadura fuerte, junto con la soldadura por forja, es uno de los métodos de unión más antiguos. Comenzó a utilizarse en piezas ornamentales de oro, se utilizaban aleaciones oro-plata y oro-cobre-plata como metales de aportación ya que su punto de fusión está por encima de 425°C, pero es inferior a los puntos de fusión del oro, 1.063°C, de la plata, 961°C, o del cobre, 1.083°C. El avance en los conocimientos de la metalurgia permitió extender la técnica a nuevos metales y aleaciones, así el aluminio se suelda con varillas de bajo punto de fusión fabricadas con una aleación cuya base es aluminio, la plata sirve para soldar titanio e incluso se han desarrollado aleaciones aptas para soldar aceros refractarios.

3.6.2. Aspectos metalúrgicos de la soldadura Dentro del complejo mundo de la soldadura de los materiales metálicos y teniendo en cuenta los procesos que tienen lugar en los materiales implicados, se debe tener muy presente, con el fin de conocer las características del material resultante, los distintos aspectos metalúrgicos que se desarrollan durante cada proceso. Así se deben conocer los mecanismos de continuidad entre las partes unidas, la correlación de energías entre ellas, sin olvidar los efectos que sobre los materiales suponen la existencia de transitorios térmicos producidos durante el proceso de soldadura.

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3.6.2.1. Mecanismos de continuidad Si se parte de que la soldadura es una operación mediante la cual se establece la continuidad entre las partes a unir, y esta definición es aplicable a cualquier tipo de material, no cabe duda de que se puede aplicar de forma absoluta a la soldadura de materiales metálicos. Dado que la mayor parte de los problemas estructurales y de resistencia en estructuras soldadas aparecen en los materiales metálicos y, más específicamente en los férreos, se centrará este apartado en el análisis de los aspectos físico-químicos involucrados en la soldadura de las aleaciones metálicas. A escala macroscópica, la continuidad implica la ausencia de toda materia no metálica interpuesta entre los elementos unidos lo que diferencia la soldadura de otros tipos de unión, tales como remachado o pegado. Esto no implica la homogeneidad en la composición ya que, en ocasiones, el material de aporte es diferente que el material base. Es a escala microscópica donde se aprecia mejor lo que define la continuidad, ya que los átomos de las partes se agrupan, mediante la soldadura, en una estructura cristalina continua. Para comprender mejor el fenómeno se debe recordar que los metales poseen una estructura cristalina en la que los cristales se agrupan en granos, que poseen una orientación diferente de su estructura cristalina y la continuidad de esas estructuras se realizará grano a grano mediante tres mecanismos básicos. El primero de ellos sucede en fase sólida, y consiste en un acercamiento de los átomos tan íntimo que permite el salto de un grano a otro de forma que las fuerzas de atracción convierten el acercamiento en definitivo. Ejemplos de ello se dan en la soldadura por ultrasonidos o por presión en frío. También tiene lugar en la soldadura por resistencia o por fricción, de modo que si el acercamiento está provocado por deformación en frío, la estructura cristalina se deforma y permanece deformada después del proceso, mientras que si la deformación se produce a una temperatura suficiente, la estructura sufre un fenómeno de recristalización que determina una orientación común en ambos lados de la intercara de soldadura. El segundo mecanismo es de difusión atómica. Si los materiales en contacto permanecen en estado sólido la difusión se realiza, a través de la intercara, en uno y otro sentido con una actividad que depende de la temperatura y la presión entre partes; ahora bien si alguna de las partes a unir está fundida, la difusión se realiza, sobre todo, desde esta parte a la sólida creando una aleación a lo largo de la intercara. Los átomos que van del sólido al líquido se diluyen en la masa fundida de forma poco apreciable, lo que sucede tanto en la soldadura fuerte como en la blanda.

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El tercer mecanismo ocurre cuando solidifica un líquido sobre un sólido que le ha dado origen o que ha participado en la fusión. La continuidad viene determinada por un fenómeno denominado epitaxis, fenómeno que refiere la adaptación de los cristales nucleados en la intercara a la orientación cristalina del sólido. Estos tres mecanismos de progreso hacia un sólido continuo permiten clasificar, desde un punto de vista físico, los tipos de soldadura en soldadura con intercara sólido-líquido, soldadura con intercara sólido-sólido y en algunas ocasiones soldadura con intercara vapor-sólido. Las soldaduras con intercara sólido-líquido pueden realizarse con fusión del material base, total o parcial en el caso de utilizarse material de aporte. También pueden realizarse sin fusión de metal base como es el caso de las soldaduras fuertes y blandas en las que se funde el metal de aporte. En las soldaduras con intercara sólido-sólido, se puede formar una fase semisólida transitoria que es eliminada posteriormente, por ejemplo la soldadura por chispa o por fricción y la soldadura por explosión o bien realizarse la unión directamente mediante deformación en frío o en caliente.

3.6.2.2. Energía de activación de la intercara Los fenómenos de difusión enumerados en el apartado anterior son posibles porque se realiza un aporte de energía a las zonas de contacto que facilitan la movilidad atómica. Para alcanzar esta energía de activación se pueden utilizar diferentes métodos que según el Instituto Internacional de Soldadura se pueden clasificar como sigue: — Transferencia de energía por gas. Son procedimientos en los que el aporte de energía se consigue con un gas o mezcla de gases a alta temperatura. En este grupo se incluyen los procedimientos que utilizan llama o alta presión de gas, también los procesos por plasma en los que el chorro de gas ionizado aporta la energía necesaria. — Transferencia de energía por arco eléctrico. Es el procedimiento más extendido y el más complejo por el número de variables que comporta. El arco electrico provoca la fusión del metal base y la unión tiene lugar por solidificación del metal fundido sobre el base, sea sin metal de aporte o con metal de aporte. — Transferencia por radiación. Mediante haces de electrones, rayos LASER o energía solar.

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— Transferencia por desplazamiento de masa. La fricción o deformación son las herramientas de aporte de energía. — Transferencia por efecto Joule. Hasta aquí se ha dado un somero repaso a los fenómenos físicos que llevan a la continuidad atómica de las partes soldadas, aunque, como se indicaba al inicio de este apartado, el estudio de la soldadura está perfectamente tratado en asignaturas especificas, hay aspectos que entran claramente en la tecnología de materiales y en la metalurgia más estricta. Ese es el caso de las transformaciones que puede sufrir el material en los transitorios térmicos inherentes a la soldadura, debido a sus efectos en las propiedades resistivas y en su puesta en uso.

3.6.2.3. Efectos de los transitorios térmicos Cualquier material sometido a un proceso de unión por soldadura a altas temperaturas puede sufrir transformaciones de fase, fases que al enfriarse pueden dar lugar a componentes microestructurales cuyas propiedades mecánicas no coincidan con las originales del material, no sean compatibles con el material de aporte, si lo hubiera, o no respondan a las exigencias que se esperan de la estructura en uso. Este hecho implica no solo estudiar exhaustivamente el diagrama de fases del material soldado, sino también y de forma especial los diagramas de enfriamiento continuo del mismo, ya que los componentes metalográficos finales dependerán de la velocidad de enfriamiento y de sus peculiaridades. En definitiva, hay que analizar la temperatura máxima que se alcanza, el tiempo de permanencia a dicha temperatura, la zona afectada por ese estado térmico y, dado que suele realizarse un ciclo de calentamientoenfriamiento relativamente rápido, estudiar el tiempo y temperatura equivalentes de transformación en estado cuasi-estacionario. Aunque los efectos del proceso de enfriamiento se estudiarán posteriormente es interesante profundizar en el concepto de «tiempo y temperatura equivalentes de transformación en estado cuasi-estacionario». Cuando un material presenta transformaciones de fase, además de su paso de sólido a líquido, los componentes metalúrgicos de la estructura, correspondiente a un enfriamiento posterior a rebasar la temperatura crítica de transformación de fase, depende, si no se realiza el proceso bajo tensión o presión diferente de la atmosférica, de dos variables, la veloci-

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dad o ciclo de enfriamiento y el tiempo de permanencia por encima de la temperatura de transformación. Cuando se realiza un tratamiento térmico, la temperatura de mantenimiento se calcula de forma que toda la masa del material se transforma de forma homogénea y el producto final pueda ser considerado uniforme estructuralmente; cuando así sucede los componentes finales dependen del tiempo de mantenimiento por encima de la temperatura de transformación pero la variación porcentual de los mismos no suele ser importante. Sin embargo, cuando se somete al material a un ciclo de calentamiento-enfriamiento relativamente rápido y, sobre todo, un ciclo cuyo tiempo de mantenimiento a la temperatura máxima es corto comparado con el tiempo del transitorio, tal y como sucede en un ensayo dilatométrico o en un ciclo de soldadura, reviste suma importancia calcular la equivalencia que tiene el tiempo de calentamiento-enfriamiento en términos de mantenimiento a temperaturas de transformación. Habitualmente se suponen ciclos ideales de forma rectangular, tales como los que se presentan en la figura 3.20. Es decir, tiempo de calentamiento nulo y tiempo de mantenimiento a la temperatura de transformación constante.

FIGURA 3.20

Los ciclos mencionados pueden compararse entre si mediante la expresión: t exp (Q/RT) t0 exp (Q/RT0)

[3.1]

pero la realidad es que los ciclos de calentamiento siguen leyes algo más complicadas, como se muestra en la figura 3.21.

138


FIGURA 3.21

En casos como este es difícil determinar el tiempo efectivo de mantenimiento y se hace necesario determinar un tiempo equivalente que identifique el ciclo real con uno rectangular. Si el ciclo térmico sigue una ley T T(t) se puede relacionar un intervalo de tiempo a temperatura máxima tM , con un intervalo cualquiera t mediante la expresión: Q 1 1 t m = t R T( t) TM

[3.2]

La integral a lo largo del transitorio eficaz se puede hacer directa o gráficamente dependiendo de la complejidad de T(t). En el caso de un ciclo parabólico, que refleja aceptablemente un proceso de soldadura, se tiene: TM TE =

R ( TM )2 4Q

[3.3]

donde R es la constante de los gases perfectos, Q la energía aparente de activación del proceso que para el acero oscila entre 457 y 540 kJ/mol. Si se expresa en términos de tiempo la expresión, sería la [3.4] integrada entre ti que es el tiempo de inicio de transformación y tM que corresponde al tiempo de zona estable: t m = exp

Q Q exp dt RTM R( t )

[3.4]

139

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FIGURA 3.22

En la figura 3.22 se muestra el diagrama de enfriamiento continuo de un acero. Como es conocido, el porcentaje de constituyentes varia con la temperatura de austenización y el tiempo de mantenimiento. Cuando este tiempo es dilatado, suficiente para que se homogeneice el material, su importancia relativa es pequeña, pero cuando los tiempos son muy pequeños o nulos como en el caso que se está tratando, las ecuaciones anteriores permiten calcular con mayor precisión los productos finales del enfriamiento. Existen numerosos estudios que prevén la evolución microestructural del acero en función de ese tiempo eficaz de tratamiento. Uno de los más precisos establece que la temperatura eficaz de un ciclo térmico de tiempo «t», tiempo que engloba el real de mantenimiento y tM se puede relacionar con un tratamiento tipo de una hora de duración mediante la expresión: Pt [1/T R/Q ln t]1

[3.5]

siendo el porcentaje de componentes metalográficos una función de la composición del acero y de Pt.

Tema 4 COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES EN SERVICIO

4.1. INTRODUCCIÓN En este tema se estudiará el comportamiento de los materiales durante su utilización, teniendo en cuenta el cumplimiento de los objetivos impuestos al ser diseñados los distintos componentes en cada proyecto. El incumplimiento de los objetivos es consecuencia de la aparición de fallos en el transcurso del tiempo de servicio, lo que tiene lugar cuando un componente pierde su capacidad para desarrollar adecuadamente el papel asignado dentro del proyecto. Al proyectar se deberá optimizar el diseño con el fin de que los distintos tipos de demandas que experimentan los componentes durante el tiempo de servicio se ajusten correctamente a su capacidad de respuesta, con independencia de las circunstancias del servicio. Para ello se deben elegir correctamente los materiales a utilizar en cada caso, así como aplicar adecuadamente tanto los métodos de fabricación como los posteriores tratamientos elegidos. Así mismo se estudiarán los fallos en servicio producidos, fundamentalmente, por solicitaciones mecánicas, tales como fatiga y la influencia que ejerce el medio ambiente en ella; fluencia y su interacción con la fatiga; y por último, desgaste. Con anterioridad, se tratarán los efectos de la corrosión, prestando especial atención a la corrosión bajo tensiones.

4.2. FALLOS EN SERVICIO Los factores que con más frecuencia se encuentran como generadores de fallo o como reductores del tiempo de servicio de los componentes se

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deben, fundamentalmente, a diseños defectuosos y a incorrectas elecciones de los materiales, sin olvidar los efectos que producen procesos de fabricación inadecuados, tratamientos deficientes, montajes imperfectos o condiciones de servicio diferentes a las proyectadas. En este apartado se efectuará un análisis de los fallos en servicio, clasificándolos en función de los modos de aplicación de las cargas y del tipo de solicitación que tenga lugar, para terminar haciendo un repaso de los distintos tipos de fractura que se pueden presentar a la hora de estudiar los distintos fallos que se producen durante la utilización de los materiales.

4.2.1. Análisis de fallos El análisis de fallos en servicio tiene gran importancia, ya que permite alcanzar un conocimiento real de las posibilidades que presenta cada material para determinadas aplicaciones y que a veces distan bastante de las que se creen tener, cuando solamente han sido ensayados en un laboratorio o sometidos a supuestos establecidos en la fase de cálculo de cualquier proyecto. Analizar los fallos en servicio es muy complejo, pues en muchos casos las circunstancias por las que se producen son ajenas al componente en el que ha tenido lugar el fallo e incluso al mecanismo por el que se ha producido. Para llevar a cabo su análisis se debe comenzar por identificar el tipo de fallo y enmarcarle dentro de una clasificación, producto de una completa base de datos sobre causas y factores de fallos en servicio. Se debe seguir una cierta sistemática y aplicar los distintos conceptos con el adecuado rigor y a ser posible disponiendo de la máxima experiencia. Dado la gran cantidad de factores que intervienen en la aparición de fallos es necesario que se conozca lo mejor posible el área de la ciencia y la técnica de los materiales y el campo en el que se desarrolla el proyecto, con el fin de poder analizar los mismos a través de las micro y macrografías, no sólo en el aspecto morfológico para identificar los defectos, sino también al nivel que permita establecer los mecanismos que han dado lugar al fallo y así poder efectuar una valoración de los efectos que sobre el mismo han tenido los distintos factores, tanto de diseño como de aplicación. El campo de aplicación del análisis de fallos corresponde a todas aquellas actividades industriales en las que el riesgo de fractura de componentes sea permanente.

COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES EN SERVICIO

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4.2.2. Clasificación de fallos Dada la complejidad que rodea el estudio de los fallos en servicio y la necesidad de encuadrar cada uno de ellos en una determinada clase o tipo, es natural que existan una amplísima gama de clasificaciones para que, de una u otra forma, todos los fallos encuentren acomodo en un grupo y eso ayude a analizarlos correctamente. En este apartado se presentan algunas de ellas, con la intención de que afecten sobre todo a las aplicaciones de las distintos tipos de solicitaciones mecánicas que se dan durante el tiempo de servicio y a las condiciones medioambientales, a veces contaminantes, en las que se desarrollan. Se pueden clasificar los fallos según el modo de aplicación de la carga y del tipo de solicitación que los provocan. Así, la carga puede ser estática, encontrándose bajo tracción, o flexión, o compresión, o torsión, o cizalladura, o cualquier de las posibles combinaciones entre ellas. Las fracturas que se producen con este tipo de cargas son estáticas, viéndose muy afectadas por la temperatura alcanzada y por el tiempo de servicio. Si la carga es variable y se repite cíclicamente, la fractura será dinámica y se medirá el número de ciclos en el que varían las cargas. Si se combinan la carga, el tiempo y la temperatura se produce la fluencia del material siempre que se alcancen los parámetros necesarios para que el proceso tenga lugar y que serán discutidos a lo largo del apartado 4.5. Otra posible clasificación, que se presenta a continuación, corresponde al tipo de fractura, teniendo en cuenta tres diferentes ordenes de magnitud: nivel atómico; nivel microscópico, cuya escala corresponde al tamaño de grano; y por último, el observable a simple vista. A nivel atómico, el comportamiento del material se puede analizar mediante la teoría de dislocaciones para todos aquellos fenómenos de deformación. Desde el punto de vista del análisis de los fallos que se producen en servicio, apenas aporta algo a efectos prácticos, aunque es necesario conocer la existencia de los planos de deslizamiento y el papel que juegan en el desarrollo de la deformación plástica, como consecuencia del deslizamiento de una parte del cristal sobre otra, antes de alcanzar la fractura. Se debe recordar, por una parte que los planos de deslizamiento son los de mayor densidad atómica, existiendo direcciones preferenciales de deslizamiento que son las más compactas del plano; y por otra, que si la fractura se produce a través de las fronteras de grano, la influencia que ejercen los distintos tipos de partículas precipitadas sobre ellas tiene una gran trascendencia en el proceso de fractura.

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A nivel microscópico, escala correspondiente al tamaño de grano, las fracturas se pueden clasificar en tres grandes grupos: transcristalinas, intercristalinas y su combinación, mixtas. Una rápida observación de la superficie de fractura por microscopia electrónica de barrido permite diferenciar con nitidez los distintos grupos. En la figura 4.1 se presentan dos micrografías, realizadas por microscopía electrónica de barrido, representativas de estos tipos de fractura y que han resultado de ensayar bajo fluencia un acero inoxidable austenítico, mediante la aplicación de distintas cargas a diferentes temperaturas. En la figura 4.1a, se puede apreciar la descohesión entre granos que caracteriza la fractura intercristalina, mientras que en la 4.1b, se observa, además de la total cohesión entre granos, la deformación que sufren previamente a la fractura, que se refleja en la micrografía con características de acentuado brillo, fundamentalmente, en los bordes de grano. En muchas condiciones, tanto de ensayo como de servicio, la fractura que se produce tiene parte transcristalina y parte intercristalina, por lo que se considera mixta.

a

b FIGURA 4.1

Las fracturas transcristalinas se pueden dividir en una serie de grupos que dependen de los distintos mecanismo de fractura o del aspecto morfológico que presenta la propia superficie de rotura que, a su vez, también depende del tipo de esfuerzos experimentados o de las características intrínsecas del material, siendo el más representativo el que tiene lugar por coalescencia de microcavidades. Las fracturas intercristalinas se caracterizan, fundamentalmente, por la separación de los granos a través de sus bordes, presentando en algunos casos microdeformación plástica en sus superficies.


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Si la clasificación se realiza por observaciones a escala real, observables a simple vista, se encuentran los siguientes grupos de fractura. — Dúctil por carga estática. Este tipo de fractura implica deformación plástica por deslizamiento, produciéndose gran absorción de energía y elevado alargamiento. En función del tipo de carga puede ser de tracción, de flexión, de cizalladura, o de torsión. — Frágil por carga estática. El efecto de las tensiones aplicadas provocan el crecimiento de grietas en planos normales a la dirección de la carga, caracterizándose por presentar escasa deformación plástica. — Frágil por carga estática mantenida. Se divide en corrosión-tensión, en fragilización por hidrógeno, en fragilización por metal líquido y en fragilización por irradiación neutrónica. Todas ellas corresponden al mecanismo que origina la rotura, no produciéndose características morfológicas significativamente diferentes. — Fatiga. Se dividen, en función de las posibles variantes que se pueden producir en el mecanismo de fatiga, en bajo y alto número de ciclos, cuando sólo se tiene en cuenta el efecto mecánico; en fatiga-corrosión y fatiga-temperatura, cuando se combinan los esfuerzos mecánicos que tienen lugar por fatiga con la corrosión o temperatura.

4.2.3. Mecanismos de fractura Los diferentes mecanismos de fractura que pueden tener lugar en los sólidos cristalinos actuan de forma aislada o combinada, encontrándose entre los más importantes los siguientes: Fractura intergranular Es el modo de fallo típico de materiales cerámicos, de los que tienen uniones iónicas y de los metales con estructura exagonal o cúbica centrada en el cuerpo, como, por ejemplo, los aceros ferríticos, cuando están sometidos a bajas temperaturas y altas tensiones. Es una fractura frágil que se origina por la formación de grietas y su posterior propagación a lo largo de determinados planos cristalográficos. Fractura transgranular A temperaturas por encima de la de transición frágil-dúctil, el modo de fractura cambia de fisuración a través de los bordes de grano a un modo de fractura que tiene lugar en la matriz, transgranular, siendo el

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prototipo de fractura dúctil. El mecanismo de fallo se produce por el crecimiento y coalescencia de huecos que se originan en las partículas de segunda fase. A temperatura ambiente, la mayoría de las aleaciones de ingeniería fallan por este modo de fractura. Si la tensión aplicada es suficientemente alta, la fractura puede ocurrir instantáneamente, pero si la tensión es menor y la temperatura es alta, la fractura tiene lugar lentamente por efecto de fluencia. En este mecanismo de fractura se pueden alcanzar deformaciones, antes del fallo, muy altas, de hasta más del 100%. Fractura intergranular por fluencia La fractura intergranular por fluencia tiene lugar a elevadas temperaturas y tensiones bajas, produciéndose deformaciones en la fractura relativamente pequeñas. Se debe al crecimiento de cavidades mediante la coalescencia de las mismas, que es un proceso controlado por la difusión de los átomos, siendo extremadamente lento a bajas temperaturas y no teniendo lugar cuando las tensiones son demasiado bajas. Fractura por recristalización dinámica A temperaturas muy altas y tensiones elevadas, la difusión es tan rápida que se inicia un proceso de recristalización. En este régimen, las altas densidades de dislocaciones se reducen formándose nuevos granos en las regiones altamente deformadas, en lugar de hacerlo mediante un proceso de recuperación, como ocurre en el caso en el que tiene lugar la fluencia. La recristalización dinámica depende de forma importante de la tensión, pudiendo alcanzarse el estrangulamiento antes de que se produzca la coalescencia de cavidades. Los límites entre la rotura por recristalización y el fallo por cavitación dependen fuertemente de la presencia de precipitados en las fronteras de grano, ya que disminuyen tanto el deslizamiento de los bordes de grano como la posible migración de los mismos.

4.3. CORROSIÓN 4.3.1. Introducción La interacción que los distintos tipos de materiales experimentan con los diferentes ambientes supone un deterioro de las propiedades iniciales,


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además de una pérdida de sus características externas que determinan su apariencia, siendo el deterioro diferente para los distintos tipos de materiales. Así, en los metálicos se produce una pérdida de material por disolución del mismo, que corresponde a la corrosión; o se forman distintas capas no metálicas o finas películas que dan lugar a la denominada oxidación. Para que éstos fenómenos tengan lugar en los materiales cerámicos es necesario que las temperaturas a las que se encuentren sean muy elevadas y las condiciones ambientales muy extremas. En los materiales poliméricos se producen degradaciones de sus características cuando se encuentran en contacto con disolventes o cuando se encuentran expuestos a la acción de radiaciones electromagnéticas o a los efectos de elevadas temperaturas. La corrosión implica la destrucción, por ataque de agentes externos, de los materiales, iniciándose en la superficie y correspondiendo su desarrollo a mecanismos electroquímicos, siendo sus efectos tan fácilmente observables, como lo son la influencia que los medios tienen en su evolución. Nada más que hay que echar un vistazo a las carrocerías de los vehículos que se mueven en la costa o en el interior, o a las de aquellos que se encierran en garaje o permanecen a la intemperie. Existen múltiples estudios que cuantifican el deterioro económico que produce el fenómeno de la corrosión en un país industrializado, tanto en prevención como en reparación, aunque en este caso es más correcto sustituir reparado por reemplazado de todo lo afectado. Las cifras que se barajan alcanzan el 5% del producto interior bruto. La corrosión de los materiales metálicos se desarrolla mediante un proceso electroquímico, o sea mediante una reacción química en la que se produce una cierta transferencia de electrones. Así, los átomos metálicos ceden o captan electrones en la reacción de oxidación, perdiendo, por ejemplo, el hierro 2 electrones de valencia y el aluminio 3, durante la misma. Mediante la reacción de reducción que se produce en el cátodo, los electrones de los átomos metálicos oxidados son transferidos a otros elementos. La reacción electroquímica es el resultado de la suma de las distintas reacciones de oxidación y reducción que tienen lugar durante el proceso de corrosión. En el fenómeno de corrosión es de gran importancia conocer la velocidad a la que se desarrolla el proceso, por lo que es necesario conocer el parámetro que determina la velocidad de eliminación de material. La expresión más utilizada proporciona la pérdida de espesor del material por unidad de tiempo y se expresa por la velocidad de penetración de la corrosión, VPC. Su fórmula es: VPC KM / S t; donde M es la masa

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perdida cuando se ha expuesto un tiempo t; y S corresponden a la densidad y a la superficie de la muestra y K es una constante cuyo valor depende del sistema de unidades utilizadas. La VPC se expresa en milímetros por año, mm/a. No todos los materiales metálicos y sus aleaciones se pueden considerar siempre susceptibles de corrosión, ya que existen algunos que aún siendo activos, bajo ciertas condiciones ambientales, pierden su reactividad química y en consecuencia se convierten en inertes. A este fenómeno se le denomina pasividad y se da en metales tales como el Cr, Fe, Ni, Ti y en buena parte de sus aleaciones, debiéndose a la formación de una delgada película de óxido que se encuentra perfectamente adherida a la superficie del metal y que actua como elemento protector de la corrosión. Entre los materiales metálicos más significativos por su alto nivel de pasivación se encuentran los aceros inoxidables, gracias a su importante contenido en cromo, y las aleaciones de aluminio. No se debe olvidar que la pasivación se puede terminar si las condiciones ambientales se modifican de forma significativa.

4.3.2. Tipos de corrosión La corrosión que tiene lugar en los distintos materiales metálicos se manifiesta de muy distintas formas y es en función de ellas, como se clasifican los distintos tipos de corrosión: galvánica, por picaduras, por aireación diferencial, por corrosión intergranular, por erosión y bajo tensiones. A continuación se describen brevemente cada una de ellas, estudiándose la corrosión intergranular de forma algo más extensa, dadas las graves consecuencias que puede provocar en importantes campos industriales, como por ejemplo el nuclear. Corrosión galvánica En la corrosión galvánica el metal más activo experimenta corrosión en un determinado ambiente, mientras que el inerte, cátodo, queda protegido de ella. Así, los tornillos de acero sufren corrosión en un ambiente marino si se disponen en contacto, por ejemplo, con el latón; o en cualquier ambiente acuoso, la unión de cobre y acero supone la corrosión segura del acero en la zona próxima a la unión. La velocidad a la que tiene lugar el ataque galvánico es directamente proporcional a la relación que existe entre las áreas del ánodo y del cátodo que se encuentran expuestas a la acción del electrolito.


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Para reducir la acción de este tipo de corrosión se deben tomar distintas precauciones, entre las que se pueden destacar: la elección de materiales próximos dentro de la serie galvánica, para ser unidos entre sí; la utilización de ánodos con áreas lo más grande posible con el fin de que no se produzcan relaciones desfavorables entre las áreas del ánodo y cátodo, y por último, el aislamiento eléctrico de metales distintos. Corrosión por picaduras El inicio de las picaduras de origen corrosivo tiene lugar en los defectos superficiales, como por ejemplo grietas, en los que se forman cavidades que presentan un crecimiento del material disuelto en dirección perpendicular a la superficie, constituyéndo así las picaduras. Cuando la penetración es considerable se pueden producir fallos del material en servicio. Un método de eliminación de este tipo de corrosión sería el disponer de superficies pulidas en todos los materiales, hecho ciertamente imposible, entre otros motivos por su elevado coste adicional, por lo que cualquier aproximación a esa situación reduce el inicio de este tipo de corrosión. Corrosión por aireación diferencial Cuando la concentración de iones disueltos en el electrolito es diferente de la que presentan dos regiones del mismo metal, entonces se produce la corrosión electroquímica por aireación diferencial en los sitios de menor concentración, como consecuencia de la formación de una pila de concentración. Este tipo de corrosión tiene lugar en aquellas zonas en las que, no solo se presentan defectos tales como grietas de cualquier dimensión, sino que hay también depósitos de diferentes orígenes, debajo de los cuales existe un empobrecimiento localizado del contenido de oxígeno disuelto, como consecuencia de permanecer la disolución estancada. Para evitar en lo posible este tipo de corrosión se debe efectuar el diseño de recipientes sin áreas estancas, con el fin de que el drenaje sea lo más completo posible y así evitar la formación de depósitos. La utilización de uniones soldadas en lugar de remachadas o atornilladas también reduce la formación de corrosión por aireación diferencial. Corrosión intergranular Este es un tipo de corrosión muy peligrosa debido al elevado riesgo de que se produzca la descohesión entre granos y en consecuencia, la frac-

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tura frágil de la pieza afectada. Este tipo de corrosión aparece con más frecuencia en los aceros inoxidables, como consecuencia del empobrecimiento en cromo, en las proximidades de los bordes de grano, que se origina al formarse en la matriz un gran número de carburos de cromo y difundir, por efecto térmico, hacia los bordes de grano en los que precipitan. En el proceso de difusión hasta llegar a los bordes de grano se produce la coalescencia de dichos precipitados, de forma que su tamaño al alcanzar los bordes de grano es muy considerable. En la figura 4.2 se presenta un ejemplo de las consecuencias microestructurales que este tipo de corrosión puede ayudar a provocar. Así, la figura 4.2a corresponde a una macrografía de una probeta de acero fracturada y en la 4.2b se presenta una micrografía, en la que se amplia una zona de la anterior. Ambas han sido realizadas por microscopia electrónica de barrido, pudiéndose observar en ellas los efectos que este tipo de corrosión produce sobre los bordes de grano, dando lugar a su descohesión y, en consecuencia, fracturando el material a través de los mismos.

a

b FIGURA 4.2

Un ejemplo muy común de este tipo de corrosión tiene lugar en las soldaduras de aceros inoxidables, ya que el efecto térmico durante el proceso de soldadura produce su sensibilización. Con el fin de reducir el riesgo de que se origine este tipo de corrosión se disminuye el contenido de carbono en los aceros inoxidables y así se forma menor cantidad de precipitados de carburos de cromo; y sobre todo se añaden al acero elementos aleantes, tales como niobio o titanio que precipitan con el carbono más fácilmente que el cromo y en consecuencia, se mantiene este en disolución sólida, no produciéndose el empobrecimiento de cromo en las proximidades de los bordes de grano y evitando así la corrosión intergranular.


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Corrosión por erosión Este es un tipo de corrosión que resulta, por una parte de la acción del ataque químico y por otra de la acción abrasiva derivada del movimiento del fluido. Aquellas aleaciones que se pasivan, formando una fina capa protectora, son las más afectadas ya que la acción abrasiva puede erosionar la capa protectora dejando al material sin la necesaria protección, aunque en la mayoría de los casos se produce la autogeneración con prontitud, evitándose la formación de la corrosión por erosión. Se presenta, fundamentalmente, en los codos o reducciones de tuberías, en los que el fluido cambia de dirección y se hace turbulento. Un buen diseño de las piezas que eviten las turbulencias y la menor presencia de partículas en el fluido son los mejores métodos para paliar este tipo de corrosión. Corrosión bajo tensiones Si en un ambiente corrosivo los materiales experimentan esfuerzos de diferentes tipos, existen muchas probabilidades de que se produzca la corrosión bajo tensiones de los mismos, dando lugar a la formación de grietas, que se propagan en dirección perpendicular al eje de solicitación del esfuerzo aplicado y que pueden llegar a producir el fallo del material. No siempre es necesaria la aplicación exterior de un determinado esfuerzo para que se produzca este tipo de corrosión, ya que se puede originar por la existencia de tensiones residuales en el material. La reducción de la corrosión bajo tensiones se consigue mediante la aplicación de recocidos adecuados que eliminen estas tensiones y en cualquier caso, disminuyendo el nivel del esfuerzo aplicado al material.

4.3.3. Prevención de la corrosión La primera y más importante medida a tomar para prevenir cualquier tipo de corrosión es seleccionar el material correctamente, pensando en las características del medio en el que se va a utilizar, sin olvidar la parte económica que conlleva cada decisión a tomar. A veces no interesa, en términos económicos, utilizar el material más adecuado para un determinado fin y en consecuencia se emplea otro tipo de material que necesita que se le apliquen medidas de protección contra la corrosión. Se puede atenuar el efecto corrosivo mediante una reducción de la temperatura de trabajo o de la velocidad del fluido y mejor la de ambos

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parámetros a la vez, lo que permite conseguir que la velocidad de corrosión sea menor. La utilización de inhibidores, fundamentalmente en circuitos cerrados, permite conseguir un buen nivel de prevención en muchas aplicaciones. Un inhibidor es una sustancia que añadida al medio disminuye el efecto corrosivo del mismo; según el tipo de material y el medio en el que se utilice se debe aplicar un inhibidor específico. También se puede prevenir la corrosión mediante la aplicación de recubrimientos superficiales, utilizándose para tal fin un buen número de materiales tanto metálicos como no metálicos. Los recubrimientos deben presentar una buena capacidad de adherencia, ser inertes a los ambientes corrosivos y resistir adecuadamente el deterioro mecánico. Uno de los medios más eficaces para prevenir la corrosión es la protección catódica, que llega incluso a impedir totalmente la corrosión en determinadas situaciones, haciendo que se convierta en cátodo el metal a proteger, mediante el suministro de electrones desde una fuente exterior. De esa forma se invierte el sentido de la reacción de corrosión, convirtiéndose en una de reducción. La técnica más utilizada es la construcción de un par galvánico, de forma que el metal a proteger se conecta eléctricamente a un metal más activo, denominado ánodo de sacrificio, que será el que se corroa y suministre electrones que protegerán de la corrosión al otro metal. Los metales más utilizados para este fin son el magnesio y el cinc, siendo este el empleado para galvanizar mediante la deposición, en la superficie del acero, de una fina capa de cinc por inmersión en caliente.

4.3.4. Fractura por corrosión bajo tensiones Para que tenga lugar la fractura por corrosión bajo tensiones es necesario que el material, en un determinado estado, sea susceptible a la corrosión, que el medio sea lo suficientemente agresivo como para que la corrosión se pueda producir, que el nivel de tensiones en el que se encuentre sea suficiente para que si existe una parte del material con algún defecto, o sin protección, se inicie el proceso de corrosión bajo tensiones, siempre que se supere el valor umbral del factor de intensidad de esfuerzos, que es función del material, de las heterogeneidades que presente, así como de su estado y del medio corrosivo en el que se encuentre en servicio; este valor permite calcular la tensión que determina el servicio indefinido. Si el servicio exige una tensión superior a la umbral, la fractura se


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producirá con total seguridad y el tiempo para que tenga lugar será el necesario para que la grieta alcance el valor crítico en el que el proceso de fractura es incontrolable. En las fracturas que se producen por un proceso de corrosión bajo tensiones, existe un periodo de iniciación, seguido de uno de propagación bajo este mecanismo, para llegar a la fase final de rotura por carga estática. Los tipos de medio que pueden ser agresivos y el carácter de las grietas producidas, dependen del material. El problema de la formación y crecimiento de grietas como consecuencia de la corrosión intergranular bajo tensión, en adelante IGSCC (Intergranular Stress Corrosión Cracking), puede ser la causa de fallos en estructuras y componentes, con importantes repercusiones económicas, incluso cuando no se originan accidentes severos. Determinadas industrias, y entre ellas la nuclear, han estudiado el fenómeno con enorme interés, analizando tanto su problemática como sus posibles soluciones. En la industria nuclear se utilizan numerosos componentes de aceros inoxidables, ya que presentan buenas propiedades mecánicas, son fáciles de conformar y tienen una excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, presentan una característica no deseable, que es la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión cuando se encuentran bajo determinadas condiciones metalúrgicas, ambientales y tensionales. Este tipo de fallo presenta escasa ductilidad, correspondiendo su apariencia macroscópica a la fractura frágil, pudiendo apreciarse múltiples grietas que se originan en la superficie, aunque el fallo es consecuencia, normalmente, del avance de una grieta en dirección perpendicular a la tensión axial aplicada. Dependiendo de las condiciones existentes, el agrietamiento por corrosión bajo tensión puede ser transgranular o intergranular. Como su propio nombre indica, la corrosión intergranular bajo tensión (IGSCC) se caracteriza porque las grietas se propagan a lo largo de los bordes de grano, mientras que en la corrosión transgranular bajo tensión (TGSCC) las grietas se propagan a través de los granos. La práctica totalidad de los casos de agrietamiento por corrosión bajo tensión que se producen en la industria nuclear son del tipo IGSCC, consecuencia del efecto conjunto del estado tensional y del medio ambiente en aquellos materiales que son susceptibles de sufrir este fenómeno. A continuación se describe la influencia de cada uno de estos factores, así como los mecanismos de fractura y las posibles acciones a tomar para evitar este tipo de corrosión.

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4.3.4.1. Susceptibilidad del material Los aceros inoxidables utilizados habitualmente en tuberías de centrales nucleares son del tipo AISI 304 o 316. En estos materiales, cuando se alcanzan temperaturas elevadas, se forman precipitados de carburo de cromo (Cr23C6) en los bordes de grano, viéndose acompañado sus zonas próximas de un empobrecimiento en cromo, por debajo del 12%, que es el nivel necesario para un comportamiento pasivo o inoxidable, lo que posibilita la aparición de células electroquímicas entre los bordes de grano, pobres en cromo, que se comportan como ánodos y el interior de los granos, con mayor contenido en cromo, que actúan como cátodos. En la figura 4.3 se representa un esquema de este fenómeno, en el que destaca la fuerte reducción del contenido de cromo al alejarse de los bordes de grano.

FIGURA 4.3

Los cambios microestructurales, resultantes de la exposición térmica, que producen la susceptibilidad del acero inoxidable a la IGSCC, se conocen como sensibilización del material. Este proceso depende de la composición del material y del tiempo de permanencia del mismo a una temperatura en la que la cinética de la reacción sea lo suficientemente rápida y se den las condiciones termodinámicas adecuadas para que precipiten carburos de cromo. Las temperaturas suelen estar comprendidas entre 425 y 875 °C; asumiéndose, de forma general, que fuera de este rango de temperaturas no se produce la sensibilización de forma significativa. Así, por ejemplo, en aceros del tipo AISI 304 la sensibilización puede ocurrir, tanto si se les mantiene a 650 °C durante 30 minutos, como si se tiene a 540°C durante 10 horas.


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A veces el proceso de sensibilización puede ocurrir a temperaturas más bajas si existen carburos en los bordes de grano. Este fenómeno es conocido como sensibilización de baja temperatura (en inglés LTS). La cinética de este proceso es lenta, pero extrapolaciones de resultados de laboratorio sugieren que las soldaduras de tuberías de acero inoxidable del tipo AISI 304 pueden ser susceptibles de la IGSCC, a temperaturas de operación normal en plantas nucleares en el plazo de 10 a 20 años. El grado de sensibilización originado durante las soldaduras depende de numerosos factores, tales como el calor aportado, la temperatura mantenida entre pasadas sucesivas, el tamaño de la tubería, etc. Así, por ejemplo, las tuberías de diámetros pequeños son más propensas a la sensibilización, ya que presentan menor capacidad para eliminar calor y de que las pasadas sucesivas se hacen con una frecuencia mayor, manteniéndose por lo tanto una temperatura más alta. Los aceros que contienen elementos tales como niobio o titanio, también forman carburos, pero son menos propensos a la sensibilización, ya que su afinidad por el carbono es más fuerte que la del cromo y por lo tanto, el cromo permanece en solución mejorando la resistencia a la corrosión. No obstante, si el contenido de carbono es alto, también se pueden originar ciertas zonas, muy delimitadas, en el área de soldadura, propensas al IGSCC, ya que la concentración del estabilizador, necesaria para asegurar la protección, depende del contenido de carbono, y así, por ejemplo, el valor mínimo de la concentración de titanio ha de ser cinco veces superior a la del carbono. Por el contrario, un incremento en el contenido de níquel aumenta la susceptibilidad del acero a la sensibilización ya que se eleva considerablemente la actividad del carbono. La tendencia actual, para evitar estos problemas, es la limitación del contenido de carbono al 0,05 % y la utilización de aceros inoxidables de bajo contenido en carbono y estabilizados con niobio. Otro elemento que suele formar parte de los aceros y al que se debe prestar especial atención es el boro, ya que facilita la precipitación intergranular del tipo M6C, reduce las precipitaciones masivas del tipo M23 C6 en los bordes de grano e incrementa la ductilidad. La adición de pequeñas cantidades de boro, no más de 100 ppm, aumenta de forma efectiva la coherencia entre los precipitados del tipo M23 (C,B)6 y la austenita.

4.3.4.2. Estado de tensiones Se puede considerar que los distintos tipos de deformaciones a los que se someten los aceros inoxidables producen una rotura de la película pro-

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tectora de óxido, dando lugar al inicio de la corrosión, con la consiguiente pérdida de metal hasta que se origina una nueva película protectora. Por otra parte, la sensibilización de un material, que implica una disminución del contenido de cromo en los borde de granos, origina una importante pérdida de material antes de que se forme una nueva película protectora. Roturas continuas de la película, consecuencia de la aplicación de tensiones suficientemente elevadas, tanto alternativas como continuas, producen grietas en aquellos bordes de grano en los que se ha visto reducido el contenido de cromo. Las tensiones que se consideran en los estudios de IGSCC, en la superficie interior de las tuberías en zonas sensibilizadas, incluyen tanto a las de operación normal, tales como peso propio, presión, vibraciones operacionales, tensiones térmicas estacionarias y transitorias (calentamientos, enfriamientos), como las tensiones residuales originadas durante los procesos de fabricación y de soldadura. Cuando la combinación de todas estas tensiones permita alcanzar valores suficientes se producirán roturas de la película protectora, y se podrá iniciar una grieta, que se propagará cuando se mantenga la tensión de forma continua.

4.3.4.3. Influencia del medio ambiente El agua circulante en tuberías de plantas nucleares, especialmente en el circuito primario de refrigeración del reactor, puede tener oxígeno residual procedente de los procesos de radiación, originándose un ambiente agresivo que incrementa la probabilidad de que en el acero inoxidable, en áreas sensibilizadas, se inicien y propaguen grietas por IGSCC, ya que dicho oxígeno establece un potencial electroquímico que permite el proceso de propagación de la grieta. Una reducción en el contenido de oxígeno, de 10 a 0,2 partes por millón, incrementa el tiempo necesario para iniciarse la grieta en cientos de veces. Los elementos conductores de las corrientes electroquímicas en la IGSCC pueden proceder del agua, impurezas del condensador o de la descomposición y rotura de los lechos de resinas de filtros, o de la propia corrosión del metal durante la rotura de la película de oxido, sales de azufre, fósforo, silicio y otros aniones. Estos últimos componentes están presentes siempre que las tensiones sean suficientemente altas, por lo que la IGSCC puede tener lugar en agua teóricamente pura en presencia de un potencial oxidante. La limpieza estricta, tanto interna como externa, de las tuberías antes de la operación de las mismas y un cuidadoso control de la química del


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agua circulante durante la operación de la planta, son procedimientos que se utilizan para prevenir la presencia de ambientes corrosivos. Así, durante la limpieza y la realización de pruebas preoperacionales, la química del agua se debe controlar de acuerdo con especificaciones estrictas, entre las que se incluyen, como criterios de aceptación de los sistemas de tuberías, limitaciones de cloruros, fluoruros, conductividad y pH.

4.3.4.4. Mecanismos de fractura La IGSCC se desarrolla en dos fases diferenciadas, una de inicio y otra de propagación, tal y como se describen a continuación, si bien la transición entre una y otra fase es difícil de medir experimentalmente. Fase de inicio Como es sabido, la superficie del acero inoxidable está protegida contra la corrosión por una fina película de óxido protector. Además de esta película pasiva, puede existir otra película, algo más gruesa, de óxidos depositados en forma de suciedad que puede absorber impurezas tales como sulfatos o cloruros, lo que influye en el inicio de la grieta. Así, pequeñas cantidades de sulfatos y cloruros pueden favorecer y acelerar el inicio de IGSCC bajo cargas constantes, cuando el potencial electroquímico es lo suficientemente alto. El inicio de la grieta se considera que tiene lugar en el punto en el que existe un electrolito, en la zona entre la capa de óxido protectora rota y la superficie del material desprotegido. Propagación de la grieta Una vez que la grieta se ha iniciado, el posterior crecimiento de la misma depende de los siguientes factores: — Intensidad de tensiones, definida por la geometría de la grieta y la tensión aplicada. — Presencia de impurezas que pueden crear un ambiente favorable a su propagación. — Grado de sensibilización del material, que afecta fundamentalmente al potencial de las células electroquímicas originadas. — Presencia continuada de elementos oxidantes, que controlan el potencial químico global de la superficie del material.

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Una vez iniciada la grieta, el ambiente en el que la misma se encuentra es difícil de cambiar y será favorable a la propagación de la misma, excepto cuando el potencial químico se cambie mediante la reducción del nivel de oxígeno contenido en el sistema.

4.3.4.5. Soluciones posibles En la evaluación de la IGSCC y búsqueda de soluciones es necesario tener en cuenta los diferentes factores que influyen en el inicio y propagación de la grieta y que han sido descritos con anterioridad. Se pueden establecer acciones encaminadas a mitigar y controlar la IGSCC, aliviando uno o más de los tres factores que la originan, mediante alguno de los siguientes procedimientos: — Sustitución del material sensibilizado. — Mejora del ambiente químico. — Relajación de las altas tensiones aplicadas. Las acciones que únicamente tienen lugar sobre uno de los factores pudieran no ser efectivas en todas las situaciones previstas, por lo que se recomienda actuar al menos sobre dos de los factores, tal como material y control químico del agua o relajación de tensiones más control químico del agua. Independientemente de lo anterior, hay que tener en cuenta que algunas de estas acciones, si bien disminuyen el problema de IGSCC, pueden originar otros inconvenientes. Así, por ejemplo, la utilización de aceros inoxidables de bajo contenido en carbono implica una menor resistencia mecánica del material y pudiera ser necesario utilizar tuberías de mayor espesor.

4.4. FATIGA 4.4.1. Introducción Cuando un componente estructural se encuentra sometido a tensiones variables, puede fracturar a tensiones mucho menores que aquellas que podría soportar bajo la aplicación de una carga estática. La fractura resultante de la aplicación de tensiones variables es conocida en el mundo de la ingeniería desde hace más de 150 años y se de-


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nomina rotura por fatiga. En efecto, en 1842 ya se estableció uno de los primeros conceptos de fatiga de los metales, según el cual la microestructura llega a «cansarse» como consecuencia de las cargas cíclicas y el metal falla por un proceso de «envejecimiento» cíclico. Igualmente, antes de 1850, el problema de la fatiga fue identificado por los ingenieros que trabajaban en los ferrocarriles, y sus investigaciones culminaron en los estudios de Wöhler, que iniciados en 1852, constituyeron los primeros ensayos sistemáticos del fenómeno de la fatiga, permitiendo enunciar las siguientes leyes: — Las piezas metálicas pueden romper bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces. — La fractura no tiene lugar, cualquiera que sea el número de solicitaciones, si la diferencia entre el esfuerzo máximo y el mínimo es inferior a cierto valor límite, que es función del esfuerzo medio. Esta diferencia se denomina resistencia en servicio o límite de fatiga. La curva de fatiga de un material depende de la tensión media y de la clase de ensayo a que corresponda, como puede ser tracción, compresión, flexión plana o torsión. La fractura por fatiga es muy difícil de analizar, puesto que implica el estudio de daños en el material a escala atómica, microscópica y macroscópica, y, en general, estos niveles no pueden ser considerados de forma individual, sino que deben relacionarse unos con otros, para entender el proceso completo de fatiga y poder así, minimizar las incertidumbres existentes en la predicción de la vida por fatiga de los componentes. La superficie de este tipo de fractura presenta un aspecto característico y en ella se distingue una zona lisa, algunas veces oxidada y una zona con un granulado más o menos rugoso y en algunos casos fibrosa, lo que demuestra que la fractura ha sido originada por una grieta que ha ido aumentando de forma lenta y progresiva hasta llegar a una fractura rápida final, que se produce cuando la carga se hace demasiado grande para ser soportada por la sección remanente. El proceso físico de la fractura por fatiga es, fundamentalmente, un proceso de acumulación de daños en el que, a medida que la grieta crece, la zona de material que se encuentra delante de la misma se ve sometida a una distorsión severa en cada ciclo de carga. Dicho proceso tiene lugar en una serie de pasos que esquemáticamente se describen a continuación. El fallo por fatiga bajo condiciones cíclicas tiene lugar mediante el inicio y posterior crecimiento de una o más grietas hasta que se produce la

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fractura. En general, la nucleación se origina en la superficie libre y la grieta crece en tres «estados» tal y como se muestra en el esquema representado en la figura 4.4.

FIGURA 4.4

Desde un punto de vista atómico y microscópico, el proceso comienza con el movimiento de dislocaciones que tiene lugar únicamente en aquellos granos en los que el posible sistema de deslizamiento es aproximadamente paralelo a la tensión cortante máxima, es decir, inclinado 45° con respecto al eje de solicitación. Dentro de estos granos se originan bandas de deslizamiento, que están formadas por conjuntos de planos activos de deslizamiento, próximos unos a otros. La distancia entre planos activos es aproximadamente igual a 100 a, siendo a el parámetro de red de la estructura cristalina del material, mientras que la densidad de bandas de deslizamiento dentro de un grano es función de la magnitud de la tensión. Como consecuencia de los deslizamientos alternativos se desarrollan las intrusiones, que penetran en la superficie, y extrusiones, que salen de la superficie, en las que la distancia entre picos y valles tiene un valor aproximadamente igual a 1000 a, y que son el origen de las microgrietas al actuar como núcleos de formación de grietas transgranulares. Este proceso constituye el estado I del crecimiento de la grieta por fatiga, durante el cual la velocidad de crecimiento de la grieta es muy lenta, del orden de 1010 m/ciclo, alcanzándose un tamaño de grieta del orden de varios diámetros de grano. Las extrusiones e intrusiones se desarrollan con mayor facilidad en las superficies libres y por tanto, la fractura por fatiga suele comenzar en la superficie exterior en las que existen discontinuidades superficiales, que son zonas en las que se producen la concentración de tensiones.


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Las microcavidades del material también pueden nuclearse en las bandas de deslizamiento y combinarse con las grietas submicrocópicas, pasando estas a ser micro y macro grietas, siendo su dirección perpendicular a la tensión axial. Este fenómeno constituye el estado II de crecimiento de la grieta, que se propaga a una velocidad relativamente rápida, del orden de micrómetros por ciclo, creándose estrías por fatiga, mientras la grieta avanza a través de la sección del material, aunque no se propaga bajo condiciones de carga de compresión. Finalmente, cuando la grieta cubre un área suficiente, el material que queda en la sección reducida no puede soportar la carga aplicada y se produce la fractura final por un proceso similar al que tiene lugar cuando el ensayo es estático. O sea, cuando el nivel de concentración de tensiones alcanzado en la etapa II llega al valor crítico de tenacidad, KIC , que es característico del material. Esta etapa constituye el estado III de la fractura por fatiga. El área de la superficie de fractura que se desarrolla durante los diferentes estados del fallo depende del nivel de deformación aplicado. A altos niveles de deformación, el estado II origina la casi totalidad de la superficie de fractura, mientras que a bajos niveles de deformación es el estado I el dominante.

4.4.2. Factores que afectan a la fatiga Existen factores, tales como de temperatura, ambientales, intensificadores de tensiones, acabado superficial, tensiones residuales y aspectos metalúrgicos, entre los que se incluyen la presencia de inclusiones y el tamaño de grano, que tienen una influencia importante en el proceso de fatiga. — Temperatura. El aumento de la temperatura provoca una reducción en la resistencia al deslizamiento de los bordes de grano y acelera la velocidad de oxidación. Estos cambios influyen en el proceso de inicio de la grieta y, en general, tienden a acelerarlo. — Ambiente. La presencia de un ambiente corrosivo durante la tensión cíclica origina el proceso de fatiga con corrosión, que acelera de forma importante la velocidad de propagación de la grieta por fatiga. — Intensificadores de tensiones. La resistencia a la fatiga se reduce de forma importante por la presencia de factores de intensificación de tensión, como ocurre en los casos en que existen esquinas angulosas, mellas o agujeros. También se deben a la existencia de defectos metalúrgicos, tales como porosidades o inclusiones.

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— Acabado superficial. Las superficies rugosas también originan intensificación de tensiones, por lo que cuanto más liso sea el acabado superficial mayor será la resistencia a la fatiga. Puesto que la mayoría de las fracturas por fatiga se originan en la superficie del metal, las condiciones superficiales afectan a la resistencia a la fatiga del mismo. Así, los tratamientos de endurecimiento superficial aumentan la vida por fatiga del material. — Tensiones residuales. La introducción de tensiones residuales de compresión sobre la superficie del metal aumenta la vida por fatiga, siendo el método más efectivo de aumentar la resistencia total a la fatiga. En la práctica se consigue deformando plásticamente, de forma selectiva, la superficie exterior del componente. Cuando se eliminan las tensiones que originaron esta deformación, la zona elástica situada bajo la zona plástica produce tensiones de compresión en la superficie. — Aspectos metalúrgicos. Entre los aspectos metalúrgicos destacan los derivados de la conformación en frío de los metales que produce una alineación de los granos y de las inclusiones en la dirección de laminación, por lo que la resistencia a la fatiga resulta ser anisotrópica, siendo menor en la dirección transversal a la de laminación. Una relación que describe esta anisotropía establece, de forma general, que la vida por fatiga transversal es aproximadamente igual a 0,6-0,7 de la vida por fatiga longitudinal.

4.4.3. Tipos de fatiga Se pueden distinguir, fundamentalmente, dos tipos: — Fatiga a alto número de ciclos (High Cycle Fatigue, HCF). Este tipo de fatiga se caracteriza por tener lugar a tensiones por debajo de las de fluencia y por requerir un alto número de ciclos (104) para que se produzca la fractura. — Fatiga a bajo número de ciclos (Low Cycle Fatigue, LCF). Se diferencia de la HCF porque se produce cuando las tensiones son superiores a las de fluencia y se requiere un número de ciclos, en general, inferior a 104 para que se alcance la fractura. Antes de exponer los distintos mecanismos y sus correspondientes teorías del inicio de grietas para cada uno de los dos tipos, se presenta la curva tensión de saturación-deformación cíclica en la figura 4.5, pudiéndose observa en ella tres regiones diferentes. Las dos primeras partes de


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la curva se corresponden con fatiga HCF, es decir, deformaciones pequeñas y alto número de ciclos, mientras que la tercera parte de la curva se corresponde con fatiga tipo LCF, es decir, con grandes deformaciones periódicas. La zona intermedia se caracteriza porque la tensión de saturación es casi independiente de la deformación. La tensión de saturación corresponde a velocidades de endurecimiento nulas, que son el resultado de los rápidos endurecimientos que tienen lugar durante las etapas iniciales del proceso de fatiga y de la posterior disminución de la velocidad de endurecimiento, hasta anularse, alcanzando entonces el material el estado de saturación.

FIGURA 4.5

4.4.3.1. Inicio de grietas Como norma general, el inicio y la nucleación de grietas por fatiga tiene lugar en las superficies libres, aunque en algunos materiales el inicio puede ocurrir en el interior. La nucleación tiene lugar mediante un proceso de deslizamiento de dislocaciones, siendo las superficies libres los lugares más propensos al citado inicio. La ausencia de restricciones en la superficie libre de los granos permite que la estructura de dislocaciones, generada como consecuencia de las cargas cíclicas, se extienda fuera de la superficie libre de los granos y produzca una superficie microscópica irregular. Estas estructuras, formadas por dislocaciones, son conocidas como bandas de deslizamiento. En la mayoría de los materiales con estructura cúbica centrada en las caras y en algunos con estructura cúbica centrada en el cuerpo, es normal observar estas bandas de deslizamiento, denominadas «persistentes»

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(Persistent Slip Bands, PSB). Esta denominación procede del hecho de que algunas bandas de deslizamiento permanecen o persisten incluso en aquellos casos en que se elimina una fina capa superficial, mediante electropulido. Durante los posteriores ensayos de fatiga la superficie irregular se regenera rápidamente. La densidad de dislocaciones dentro de la PSB´s es del orden de 1013/m2, mientras que en sus bordes y en el resto del material es del orden de 1015/m2. Es decir, que las PSB´s son mucho más blandas que el resto del material y por lo tanto la deformación se localiza preferentemente en dichas bandas. En la figura 4.6 se presenta un ejemplo de bandas persistentes de deslizamiento que corresponden a un bronce de alta resistencia.

FIGURA 4.6

En el caso de la fatiga de baja amplitud de deformación, HCF, las grietas suelen iniciarse en aquellos lugares en los que las PSB´s interactúan con superficies libres o con los bordes de grano. Cuando la interfase tiene lugar en superficies libres, las microgrietas se nuclean de forma transgranular, mientras que cuando interaccionan los bordes de grano, el proceso es intergranular, con independencia del tamaño de grano.


165

Debido a ciertos procesos de irreversibilidad, a partir de las PSB´s se forman extrusiones e intrusiones. Las extrusiones son delgadas cintas de metal, del orden de 10 mm de longitud y 1 mm de espesor, que sobresalen de la superficie del metal. Las intrusiones son hendiduras de tamaño similar. La formación de extrusiones e intrusiones se origina rápidamente tras la aparición de las PSB´s y constituyen un paso importante en el inicio de las grietas en la fatiga HCF. Las extrusiones e intrusiones aumentan la tensión en la superficie, por lo que las grietas tienden a aparecer en estas zonas, mediante un pulido superficial se pueden eliminar las extrusiones / intrusiones, prolongando considerablemente el tiempo de utilización del material. En los casos en los que la fatiga está originada por deformaciones de gran amplitud, LCF, la deformación tiende a ser homogénea, de diferente forma que en el caso de HCF en que la deformación se localiza en las PSB´s. Aunque en el caso de LCF también se observan algunas extrusiones, no son lo suficientemente severas como para originar un agrietamiento transgranular, por lo tanto la rotura se produce, en la mayoría de los casos de LCF, de forma intergranular.

4.4.3.2. Propagación de grietas En este apartado se exponen diferentes modelos y teorías relativos a la propagación de grietas por fatiga. Los modelos describen los mecanismos físicos mediante los cuales una grieta puede avanzar, mientras que las teorías predicen la velocidad de propagación de la grieta. Modelos de propagación Para que una grieta avance de forma estable y continua, bajo condiciones de deformación plana, se precisa de una inyección de dislocaciones que permitan acomodaciones de los desplazamientos cortantes en el frente de la grieta, a 45° del plano de la grieta, dando lugar a la formación de estriaciones, entendiendo por tales las marcas regulares que pueden observarse en la superficie de fractura por fatiga, generalmente paralelas al frente de la grieta, y que representan las posiciones sucesivas del frente de la grieta durante la propagación de la misma. La aparición de estas estriaciones se corresponde, normalmente, con el estado II de propagación de la grieta representada en la figura 4.4 y la interpretación del mecanismo de crecimiento que origina su aparición ha dado lugar a diferentes modelos.

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En la figura 4.7 se representa esquemáticamente uno de los modelos de crecimiento de grietas durante el estado II, desarrollado por Tomkins, en el que se pueden observar que: — Suponiendo que el inicio de la grieta ya ha tenido lugar y partiendo de un estado de compresión, figura 4.7a, la aplicación de una pequeña tensión de tracción origina la formación de bandas de flujo plástico localizadas a 45° del plano de la grieta, figura 4.7b. — Con el incremento de la apertura del frente de la grieta se forma una nueva superficie, por descohesión cortante, que a su vez contribuye a la mencionada apertura de la grieta. Al mismo tiempo, se incrementa el ancho de las bandas de flujo, propagándose la deformación por los flancos de la grieta, figura 4.7c. — Al disminuir la carga aplicada, tiene lugar un proceso de flujo plástico inverso, figura 4.7d y como consecuencia de que los cambios geométricos del frente de la grieta no son totalmente reversibles, se forma una inestabilidad local de compresión, seguida de una estriación, figura 4.7e. Este mecanismo se produce durante el proceso de cierre de la grieta, incluso aunque la tensión nominal continúe siendo de tracción. — En el caso de aperturas grandes de la grieta, se pueden formar nuevas bandas de flujo plástico, originando un perfil como el de la figura 4.7f. Igualmente, se pueden formar estriaciones múltiples, que a veces están organizadas en forma de pequeñas estriaciones contenidas dentro de otras mayores. Cuando las aperturas de la grieta son pequeñas, pueden ser precisos varios ciclos de carga para crear una nueva superficie del frente y que se produzca la inestabilidad. Por lo tanto, el espaciado de las estriaciones refleja la apertura del frente de la grieta, y la velocidad de crecimiento, o incremento de la superficie de la grieta durante cada ciclo, es una fracción de dicha apertura. Es decir, que en los procesos de análisis cuantitativos de fallos hay que tener presente los siguientes hechos: — Las estriaciones son manifestaciones de deformación plástica localizada en el frente de la grieta y por lo tanto no representan, necesariamente, el avance por ciclo de la grieta. — Las estriaciones no siempre son indicativas de la aplicación de un ciclo simple de fatiga. Si los materiales son de alta resistencia, su capacidad limitada de deformación puede originar agrietamientos secundarios en las bandas de


167

FIGURA 4.7

flujo plástico y en el caso de materiales con resistencia dispersa, lograda con una importante fracción de volumen de partículas de segunda fase, es habitual encontrar contribuciones importantes a la velocidad de crecimiento que están originadas por la coalescencia de cavidades alrededor de estas partículas. En estos casos, la velocidad de crecimiento puede verse afectada por modos estáticos de fractura. En la figura 4.8 se muestra esquemáticamente el mecanismo de avance durante el estado III.

168


FIGURA 4.8

Finalmente, en la figura 4.9 se muestra la contribución de diferentes micromecanismos a la propagación de las grietas por fatiga. En esta figura se distinguen tres regiones de diferentes características: — Región A: es una región umbral, de comportamiento no continuo, altamente influenciada por la microestructura, por la tensión media y por las condiciones ambientales. — Región B: es una región que representa un comportamiento estable y continuo de la propagación de grietas por fatiga, escasamente influenciado por la microestructura, tensión media y espesor, y

FIGURA 4.9


169

con una influencia variable del medio ambiente. Esta región se puede caracterizar por el hecho de que las cargas son lo suficientemente grandes como para producir una zona plástica en el frente de la grieta que incluye muchos granos. — Región C: es una región con un comportamiento casi continuo en la propagación de la grieta por fatiga, pero influenciado en cierta medida por modos estáticos de fractura. La influencia de la microestructura, tensión media y espesor es muy importante, mientras que la influencia ambiental es escasa. Teorías del avance de grietas por fatiga Entre las razones que de forma habitual han llevado a los investigadores a desarrollar teorías sobre el avance de grietas por fatiga, pueden citarse las dos siguientes: — En primer lugar, el interés existente en predecir las velocidades de propagación de grietas, con objeto de estudiar aquellas situaciones que no están cubiertas de forma expresa por datos experimentales. — En segundo lugar, una vez entendido el proceso de crecimiento, poder establecer una forma teórica de predicciones que ayude a identificar discrepancias entre el comportamiento esperado y el real. Aparecen así dos utilizaciones diferentes de las teorías de propagación de grietas: las leyes de predicción y las teorías de predicción basadas en un modelo de propagación. Entre las leyes de predicción, la más conocida y utilizada habitualmente es la de Paris-Erdogan, según la cual la tasa de propagación por ciclo, da/dN, viene dada por la siguiente ecuación: da C Km dN

[4.1]

donde C y m son constantes del material, K es el incremento del factor de intensidad de tensiones, que depende del tamaño de la grieta y del rango de tensiones aplicado. Se puede observar que, suponiendo que el tamaño de la grieta crece de forma continua, el valor de K crecerá también de forma continua. Casi todos los datos disponibles de propagación de grietas por fatiga, para una gran cantidad de materiales, a temperaturas bajas, intermedias y en algunos casos también a temperaturas altas, se representan en grá-

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ficos que utilizan una doble escala logarítmica, con lo que la ley de ParisErdogan se convierte en una línea recta, como se puede observar en la figura 4.9. En esta figura puede apreciarse, igualmente, que la ley no es válida por encima o por debajo de ciertos valores de K. Es decir, que la grieta no se propaga por debajo de un valor umbral del rango del factor de intensificación de tensiones, Kth, y el crecimiento se acelera cuando está próxima la fractura final, que ocurre cuando se alcanza un valor crítico Kc. Entre estos dos límites la curva de propagación de la grieta está formada por un tramo lineal de pendiente m. Estudios fractográficos han demostrado que el mecanismo de estriación es el responsable de la propagación estable de grietas por fatiga y por lo tanto, los valores de m encontrados son los correspondientes a este mecanismo. Las teorías de predicción, pueden clasificarse en los siguientes grupos: — Teorías basadas en la acumulación de daños o de deformación en el frente de la grieta. — Teorías que establecen una apertura-desplazamiento cíclico del frente de la grieta como parámetro de avance. — Teorías que establecen el criterio de avance en función de un equilibrio de energía en el frente de la grieta. De acuerdo con el primero de estos grupos, el avance de la grieta se produce cuando el daño acumulado delante de la grieta alcanza una condición de fallo. Han surgido así diferentes teorías, basadas en diferentes modelos que llevan, casi invariablemente, a valores de m 4. El segundo grupo de teorías de propagación de grietas por fatiga está basado en la apertura-desplazamiento del frente de la grieta. Son teorías que modelizan los cambios de geometría que ocurren en el frente de la grieta, identificando la parte de la nueva superficie de la grieta, creada en cada ciclo, como irreversible. Basándose en las observaciones de que el espaciado medido entre estriaciones es aproximadamente la mitad del valor estimado de apertura-desplazamiento cíclico del frente de la grieta, diferentes estudios han determinado un valor de m 2 para condiciones de deformación plana. El tercer y más reciente grupo de teorías de la propagación de grietas por fatiga se basa en los criterios de equilibrio de energía, desarrollados a partir de la teoría de Griffiths. Estas teorías llevan a expresiones complejas, que en forma simplificada dan como resultado valores de m 4, y a veces de m 2.

171


4.4.4. Influencia del medio ambiente en la fatiga La actuación combinada de tensiones cíclicas y del medio ambiente puede originar el fallo prematuro de componentes y estructuras de ingeniería. Puesto que las instalaciones industriales actuales precisan operar durante períodos de hasta 30 o 40 años, tanto en ambientes agresivos como inertes, es preciso entender la interacción fatiga-ambiente para poder establecer procedimientos racionales de predicción de vida útil de los componentes de dichas instalaciones. Se han llevado a cabo numerosas investigaciones con el fin de conocer la influencia del medio ambiente en el inicio y durante el crecimiento de grietas en diferentes tipos de materiales y aleaciones estructurales utilizadas en aviones, barcos, plataformas petrolíferas, de producción de gas o en plantas de generación de energía eléctrica. En la tabla 4.1 se presentan algunos ejemplos típicos de combinaciones de materiales y medio ambiente que tienen una cierta influencia en las predicciones de fatiga.

Ambiente

Instalación

Material

Temperatura operación (°C)

Aire

Aviones

Aleaciones de Al o Ti

Aire

Vasijas de presión

Aceros ferríticos/ inoxidables

300-600

Vapor/Agua

Generadores de vapor

Aceros ferríticos

400-600

Vapor

Turbinas

Aceros ferríticos

550

Agua salada

Barcos, tuberías, plataformas petrolíferas

Aceros ferríticos

25

Sodio

Reactores rápidos

Aceros inoxidables

Litio

Reactores de fusión

Aceros ferríticos/ inoxidables

600

Helio

Reactores de gas a alta temperatura

Aleaciones de Ni/ aceros inoxidables

700

Hidrógeno

Alternadores

Cobre y aceros ferríticos

500

Queroseno

Turbinas

Aleaciones de Ni y Co

700

TABLA 4.1

100

400-600

172


4.4.4.1. Influencia ambiental sobre la resistencia total De la influencia ambiental sobre la resistencia total a la fatiga se pueden establecer algunos de los efectos más significativos: — En general, los aceros inoxidables, las aleaciones de aluminio y algunas otras no férreas, presentan una duración considerablemente mayor en el vacío que en el aire, tanto a temperatura ambiente como especialmente a temperaturas elevadas. — Los efectos de la temperatura y de la frecuencia utilizada en los ensayos, observados habitualmente en los efectuados en aire, desaparecen o se reducen de forma drástica cuando se realizan en vacío. — Otros ambientes, con baja presión parcial de oxígeno, como el sodio o el helio, incrementan la vida de fatiga de los aceros, en comparación con los resultados en aire. — Los aceros y las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio, tienen mayor resistencia a la fatiga en aire seco que en aire húmedo. — Los ambientes que inducen fragilización del material, como son la carburación o la irradiación, disminuyen la resistencia a la fatiga, especialmente en los ensayos de baja frecuencia y temperatura elevada. — Los aceros poseen mayor resistencia a la fatiga en agua pura que en agua contaminada con cloruros.

4.4.4.2. Influencia ambiental sobre la propagación de grietas Las observaciones experimentales relativas a la influencia ambiental en la propagación de grietas por fatiga son muy similares a las indicadas con respecto a la resistencia total a la fatiga: — En general, el crecimiento de las grietas es inferior en el vacío que en el aire. No obstante, la velocidad de crecimiento de las grietas en vacío o en sodio se aproxima a la obtenida en aire. — El contenido de vapor de agua del aire incrementa la velocidad de crecimiento de la grieta en aceros de baja aleación, aleaciones no férreas y, especialmente, en aceros de alta resistencia. — La velocidad de crecimiento de la grieta se incrementa, en el caso de aceros y aleaciones de aluminio y titanio, en presencia de agua con soluciones de carbonatos o de cloruros, con respecto a los resultados obtenidos en el aire.


173

— La irradiación con neutrones incrementa la velocidad de propagación de la grieta en los aceros inoxidables y en las aleaciones a base de níquel, especialmente si se incrementa la temperatura y se disminuye la frecuencia del ensayo. — La mayor influencia medioambiental en la propagación de la grieta tiene lugar durante la etapa inicial de crecimiento.

4.4.5. Interacción fatiga-corrosión Las investigaciones llevadas a cabo sobre la interacción fatiga-corrosión han permitido establecer diferentes modelos de los mecanismos involucrados, siendo los más importantes los que se describen a continuación. En primer lugar se encuentra el «modelo de superposición», propuesto por Landes y Wei, según el cual deben considerarse de forma conjunta, por una parte la contribución de la corrosión al crecimiento de la grieta, siempre que el valor de K exceda durante las cargas cíclicas al valor de K1SCC que es el valor umbral para que tenga lugar la corrosión bajo tensión, y por otra, el componente de propagación de la grieta por fatiga determinado en un ambiente inerte. Al considerar un rango amplio de materiales y condiciones ambientales, se ha llegado a la conclusión de que este modelo de suma lineal tiene una aplicación práctica limitada, ya que en muchos casos las velocidades reales de crecimiento de grietas por fatiga-corrosión son superiores a las estimadas. Otra aproximación al problema se ha llevado a cabo mediante «modelos de competición», según los cuales la grieta se propaga por uno u otro mecanismo, fatiga o corrosión bajo tensión. En estos modelos, el componente de corrosión bajo tensión se presenta como una perturbación de la curva de crecimiento de la grieta por fatiga, debiéndose a la interferencia de modos de fractura estática. Otro modelo de interacción fatiga-corrosión es el propuesto por Donahue, según el cual el crecimiento de grietas por fatiga en diferentes ambientes puede ser descrito en términos de las propiedades mecánicas y de dos constantes del material: — La intensidad de tensión umbral, KTH, para el crecimiento de grietas, que en ambiente agresivo se corrige disminuyéndola. — Una constante de proporcionalidad, A, relacionada con la deformación necesaria para el crecimiento de la grieta en un ambiente no agresivo, ajustada para ambientes severos.

174


La velocidad de crecimiento de la grieta, entonces, viene dada por la ecuación: da 4A (K2 K2TH) dN y

[4.2]

4.4.6. Fatiga térmica En los componentes y estructuras utilizados en ingeniería hay que distinguir entre dos tipos de tensiones. Por una parte están las denominadas tensiones primarias, originadas por cargas tales como presión, peso propio, cargas mecánicas, condiciones o limitaciones de contorno, como por ejemplo, el impedimento de la expansión térmica mediante puntos de anclaje. En este último caso, las tensiones térmicas a través de la sección del componente son independientes de la velocidad de cambio de temperatura. Por otra parte, existen las denominadas tensiones secundarias, que surgen como consecuencia de calentamientos y enfriamientos de soldaduras de metales diferentes, o las que tienen su origen en transitorios térmicos. Estos últimos producen tensiones transitorias debidas a los cambios rápidos de temperatura en las superficies internas o externas de los componentes. En estos casos, la pendiente de la rampa de temperatura es un dato básico para determinar la magnitud de tales tensiones. Un buen número de componentes instalados en motores de aviación, reactores nucleares, plantas de generación de energía eléctrica y en otras instalaciones sufren calentamientos rápidos durante los arranques, y enfriamientos rápidos durante las paradas o durante los cambios de las condiciones de operación como, por ejemplo, durante la modificación de la potencia en una central nuclear. La magnitud de estas tensiones transitorias depende en gran medida, además de la geometría del componente, de las constantes físicas del material como son el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica y el módulo de elasticidad. Dependiendo del tamaño del componente, si los sucesivos ciclos térmicos son lo suficientemente importantes como para producir plastificaciones alternativas del material en las capas superficiales, se puede iniciar una pequeña grieta por fatiga, especialmente en localizaciones críticas después de un cierto número de ciclos, originándose de esta forma el fenómeno conocido como fatiga térmica.


175

4.4.6.1. Problemas derivados de la fatiga térmica La generación de tensiones térmicas se puede estudiar cualitativamente, suponiendo una estructura o la pared de un componente suficientemente gruesa, que se encuentra inicialmente a una temperatura baja y uniforme y que la temperatura en la superficie A se incrementa bruscamente como consecuencia, por ejemplo, del rápido aumento de la temperatura de un fluido que circula en contacto con la pared interior del componente, mientras que el resto del material permanece, aproximadamente, a la temperatura inicial. En la figura 4.10 se representa de forma esquemática este fenómeno, así como el ciclo de histéresis que tiene lugar como consecuencia de la fatiga térmica.

FIGURA 4.10

La superficie A se encuentra sometida, entonces, a una tensión de compresión ya que su dilatación está impedida por el resto del material, tensionándose según el tramo de curva OA. Seguidamente el calor fluye hacia la zona B del material y a medida que el gradiente de temperatura se reduce, el sistema entero se expande, llevando a la superficie A hasta tensiones de tracción, correspondientes al punto B de deformación cero. Durante el siguiente período, en el que se supone un funcionamiento estacionario a alta temperatura, la tensión de tracción residual puede ser capaz de relajarse, según BB’, al tiempo que, en muchas aleaciones, se origina un agrietamiento intergranular. Si se supone ahora que la temperatura en A disminuye bruscamente, con lo que ocurre un proceso inverso al descrito anteriormente, la su-

176


perficie A se ve sometida a tensiones de tracción, puesto que su contracción está impedida por el resto del material, alcanzándose un pico de tensión en el punto C, al tiempo que se puede producir una fractura transgranular ya que la velocidad de deformación es alta y la temperatura se ha reducido. Finalmente, cuando toda la estructura se ha enfriado, la sección A se lleva a tensiones de compresión por el resto del material. La tensión residual de compresión, punto D, no origina daños necesariamente, pero cuando el proceso anterior se vuelve a repetir desde el punto D, el sistema entra en una nuevo ciclo de histéresis DABB’C en la superficie, lo que puede originar el inicio y propagación de múltiples grietas por fatiga térmica, debido a la plastificación alternativa que tiene lugar. Los principales puntos a destacar del lazo de histéresis descrito son los siguientes: — La máxima diferencia de temperaturas entre la parte A y el resto del material, incrementa las tensiones de pico correspondientes a los puntos A y C. — Durante la relajación de tensiones en la operación estacionaria, tramo BB’, pueden producirse daños por fluencia. — El ancho de la zona plástica en la curva del ciclo de histéresis, disminuye a medida que se incrementa la distancia desde A, en la zona plastificada del material. — Si existiesen tensiones de tracción externas, se incrementaría el ancho del ciclo de histéresis durante el enfriamiento. — Si las velocidades de enfriamiento o calentamiento se hacen lo suficientemente lentas, la plastificación asociada desaparece. — La magnitud de la tensión en la superficie y por lo tanto el tamaño de la zona plastificada depende del espesor del componente. La secuencia descrita anteriormente, a menudo, se asocia a componentes de plantas de generación de energía eléctrica. No obstante, un ciclo muy parecido ocurre también en componentes de sección más delgada, tales como, por ejemplo, el caso de los álabes de turbinas de gas y de motores de aviación.

4.4.6.2. Ejemplos de fatiga térmica Son numerosos los casos en los que se presentan problemas de fatiga térmica. A continuación se presentan, a título de ejemplo, algunos componentes que sufren ciclos de calentamiento y enfriamiento durante su vida de servicio.


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— Reactores avanzados refrigerados por gas. En este tipo de reactores tiene lugar la fatiga térmica en los recubrimiento de acero inoxidable (20Cr-25Ni-Nb) de los tubos de combustible, que son elementos de 0,5 mm de espesor que siguen la expansión y contracción del combustible durante los cambios de potencia del reactor, operando a temperaturas comprendidas entre 650 y 750°C. Así mismo, se produce la fatiga térmica en los soportes del aislamiento térmico del núcleo del reactor, que utilizan pernos de 12 mm de diámetro de acero AISI 321, que sufren deformaciones plásticas de cierta consideración. Se ha detectado el inicio y propagación de grietas a partir de las raíces de la rosca. — Turbinas de gas. La fatiga térmica se da en los álabes y componentes con espesores típicos de 5 mm, sometidos a rápidos transitorios térmicos durante los arranques y paradas. La deformación permitida suele ser de 0,05% para los discos y hasta 0,35% para los álabes, estando la temperatura de trabajo comprendida entre 600 y 800°C. — Reactores rápidos refrigerados por sodio líquido. En este tipo de reactores, la fatiga térmica se produce en los aceros austeníticos de la estructura superior del núcleo del reactor, con temperatura de operación de 540 °C. Los transitorios térmicos se deben a cambios bruscos en la temperatura del sodio refrigerante durante las paradas rápidas, disparo del reactor, o a calentamientos como consecuencia de pérdidas de refrigerante, pudiéndose alcanzar deformaciones totales del rango de 0,2 a 0,5%. — Armamento. Tiene lugar la fatiga térmica en cañones fabricados con aceros de baja aleación y con espesores superiores a los 25 mm, observándose grietas múltiples que crecen rápidamente hasta una profundidad de 0,2 mm, extendiéndose después más lentamente hasta alcanzar profundidades de 6 mm tras varios miles de operaciones, la vida útil de diseño suele fijarse en 104 operaciones. — Válvulas, depósitos, carcasas de turbinas. Tiene lugar en componentes de hasta 150 mm de espesor, normalmente de acero 1/2CrMo-V, que operan a temperaturas superiores a los 550°C. Se deben tomar precauciones especiales ante posibles defectos de fabricación y agrietamientos inducidos por las modificaciones de temperatura durante los arranques y paradas de los sistemas a los que pertenecen. — Rotores de turbinas. La fatiga térmica se produce en aceros 1Cr-Mo-V, de 300 mm de diámetro y sometidos a temperaturas de

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operación de 550°C, detectándose grietas en ejes de turbinas de entre 375 y 125 MW, producidas en servicio, tras haber sido sometidos a un total de entre 70 y 900 operaciones de arranque y parada. — Plantas nucleares convencionales: La fatiga térmica alcanza a las tuberías de acero inoxidable, de agua de alimentación a generadores de vapor. Durante las paradas en caliente los arranques y paradas de las bombas del sistema mezclan agua a temperatura superior a 210 °C con agua fría a temperatura inferior a 40 °C produciendo bruscos calentamientos y enfriamientos.

4.5.

TERMOFLUENCIA

4.5.1. Introducción Se entiende por termofluencia la deformación lenta y continua, a lo largo del tiempo, que experimentan los materiales, sometidos a cargas inferiores a las que producirían deformaciones permanentes a temperatura ambiente, cuando trabajan a temperaturas suficientemente elevadas. Esta deformación continua y no reversible puede llevar, finalmente, al fallo del material. De las distintas expresiones que se pueden utilizar: termofluencia, fluencia lenta o simplemente fluencia, además de creep que es su traducción en lengua inglesa; será el término fluencia el empleado en este texto. Por temperatura suficientemente elevada, a partir de la cual se presenta la fluencia, se puede entender, como regla general, T (0,3 0,4) TM para materiales metálicos y T (0,4 0,5) TM para materiales cerámicos, siendo TM la temperatura de fusión del material en Kelvin. La fluencia es un proceso dependiente del tiempo, en el que la deformación del material es función no sólo de la tensión aplicada, como ocurre en el caso de temperaturas bajas, sino que depende, además, del tiempo y de la temperatura de trabajo, f (, t, T). Teniendo en cuenta esta expresión, en el proceso de diseño de las distintas estructuras y componentes se debe comprobar que: — La deformación total por fluencia durante la vida en servicio es aceptable. — La deformación en el momento del fallo es aceptable. — El tiempo en producirse el fallo, a la temperatura y carga de diseño, es mayor que la vida de diseño del componente.


179

Las deformaciones elástica, viscosa y plástica pueden darse de forma simultánea al aplicar una tensión constante a un sólido, siendo este el caso de la fluencia que se produce a temperaturas elevadas. Desde un punto de vista práctico, el interés de la fluencia se centra en determinar los tiempos de utilización de un componente, bajo las condiciones de tensión y temperatura que tengan lugar mientras que se encuentre en servicio. Dado que los tiempos prolongados de ensayo son difíciles de alcanzar en el laboratorio, se utilizan distintos procedimientos que permiten la extrapolación de los datos obtenidos, con el fin de determinar los posibles tiempos de utilización y su aplicación a cada proyecto.

4.5.2. Equipos de ensayo El equipo necesario para ensayar bajo fluencia consiste básicamente en un horno para que la probeta de ensayo pueda alcanzar una determinada temperatura, un dispositivo para colgar un cierto peso y un regis-

FIGURA 4.11

180


trador de las deformaciones producidas en función del tiempo. En la figura 4.11 se presentan, de forma esquemática, los elementos básicos de una maquina de laboratorio con la que se pueden efectuar ensayos de fluencia. En ella se puede observar el mecanismo de solicitación, el horno y el medidor de deformaciones que suele ser un transductor de inducción. La carga se aplica a través de un sistema de palanca que consiste en un brazo que se balancea en una unidad de fulcro en forma de cuchilla. Con la ayuda de un fleje, el brazo soporta, por un lado, un cierto peso y por el otro una barra a la que se acopla la probeta. Normalmente, el ensayo de fluencia se realiza bajo carga constante, llevándose hasta la rotura. Es necesario, además de fijar la carga y la temperatura de ensayo, medir los tiempos con sus correspondientes alargamientos, con el fin de representar gráficamente los valores obtenidos y así poder conocer la curva de fluencia de cada material para unas determinadas condiciones de temperatura y carga.

4.5.3. Curvas de fluencia Los ensayos elementales realizados para el estudio de deformación y fallo por fluencia consisten en someter una probeta a tensión uniaxial. Un tipo de probeta normalizada se presenta en la figura 4.12. En ella destacan los acuerdos especiales sobre los que se toman las señales inductivas o capacitivas que permiten conocer, de forma continua, la evolución de la deformación.

FIGURA 4.12

Se originan así diferentes tipos de curvas que sirven para estudiar el proceso de fluencia y para obtener los parámetros o características del material que permiten efectuar diseños de componentes y estructuras que puedan verse afectados por este fenómeno. Si el ensayo se realiza a temperatura lo suficientemente baja como para que no tenga lugar el proce-


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so de fluencia, entonces la tensión y la deformación alcanzan su valor máximo en el instante to y permanecen constantes en esos valores máximos mientras se mantiene la carga aplicada. No hay cambios de la tensión o de la deformación dependientes del tiempo y sus magnitudes se relacionan entre sí con total independencia del tiempo. Si la temperatura es lo suficientemente alta como para que tenga lugar la fluencia, entonces la deformación aumentará con el tiempo tras la aplicación de la carga, tal y como se puede apreciar en la figura 4.13, en la que se esquematiza el proceso.

FIGURA 4.13

Los ensayos de fluencia que se realizan habitualmente para caracterizar las propiedades de los materiales, tienen lugar a temperaturas y cargas constantes. Los términos o conceptos básicos utilizados para describir los diferentes estados de fluencia se muestran en la figura 4.14, de acuerdo con las definiciones establecidas por el Código ASME. En ella puede apreciarse que inmediatamente después de la aplicación de la carga existe una deformación instantánea. Durante el estado de fluencia primario, la velocidad de deformación por fluencia, representada por la pendiente de la curva, inicialmente es grande, disminuyendo hasta hacerse constante en el estado secundario, llamado también estacionario. En el estado terciario, la velocidad de fluencia se incrementa hasta que se produce la fractura. La representación gráfica de los resultados experimentales obtenidos al someter a fluencia a un acero inoxidable austenítico se presenta en la figura 4.15, pudiéndose observar en ella las relaciones entre las tensiones aplicadas y los tiempos de rotura alcanzados para cada una de las temperaturas de ensayo.

182


FIGURA 4.14

Se debe recordar que como los tiempos de interés suelen ser mayores que el límite práctico de los ensayos experimentales, es preciso utilizar procedimientos de extrapolación, tales como los establecidos por el Código ASME, que serán expuestos posteriormente.

FIGURA 4.15


183

4.5.4. Mecanismos de deformación En el estudio de la fluencia de materiales hay que distinguir entre deformación por fluencia y fractura por fluencia, si bien el mecanismo de fractura está íntimamente relacionado con el proceso de deformación que le precede. En primer lugar se plantea el proceso de deformación por fluencia y los diferentes mecanismos de deformación, estudiándose posteriormente la fractura por fluencia. Los mecanismos de deformación de los materiales policristalinos cuando se deforman a elevadas temperaturas se deben al movimiento de dislocaciones o al deslizamiento de las fronteras de grano o a la fluencia difusional. Estos tres mecanismos se pueden considerar independientes entre sí, activados térmicamente y controlados por la difusión atómica. Cada mecanismo de deformación tiene valores específicos tanto de n, exponente de la tensión al relacionarla con la velocidad de deformación, como de Q, energía de activación que es constante en un cierto intervalo de temperaturas y se relaciona con cada uno de los mecanismos de deformación. La fluencia por movimiento de dislocaciones se asocia a valores de n por encima de 5 y a energías de activación iguales a las que se corresponden con la autodifusión a través de la red. Cuando el mecanismo dominante es el deslizamiento de fronteras de grano, entonces el valor de n es 2 y la energía de activación se corresponde con la de las fronteras de grano. Por último, la fluencia difusional presenta un valor de n igual a 1, pudiendo ser la energía de activación igual a cualquiera de las anteriores. Fluencia por movimiento de dislocaciones Analizando los micromecanismos que tienen lugar durante los estados de fluencia primario y secundario, se ha determinado que dichos estados están influenciados por la acción conjunta del endurecimiento por deformación y la recuperación, que se activa térmicamente, de la estructura de dislocaciones, tal y como establecieron Bailey y Orowan. El estado primario se caracteriza por un endurecimiento por deformación, consecuencia de la formación de marañas de dislocaciones que impiden el aumento progresivo de la deformación, mientras que el estado secundario de fluencia se caracteriza por la existencia de un equilibrio entre el proceso de endurecimiento por deformación y el de recuperación activado térmicamente. El factor que controla la velocidad de fluencia es la capacidad del frente de dislocaciones de trepar sobre los obstáculos que encuentran en

184


su deslizamiento. Este proceso requiere la difusión por vacantes y por tanto sólo tiene lugar de forma apreciable a altas temperaturas. La aceleración de la deformación durante el estado terciario de la curva de fluencia y la rotura final se atribuyen a la acumulación progresiva de daños en el material como consecuencia del proceso de fluencia. Tomando como base estas ideas de movimiento y trepado de dislocaciones, se han desarrollado modelos específicos para el estado secundario de fluencia. El resultado es una dependencia de la velocidad de deformación, ˙, con respecto a la tensión, , llamada ley de Norton, según la ecuación siguiente: ˙ B n

[4.3]

donde B y n son parámetros del material. El valor del exponente n oscila entre n 3 (Friedel, 1967) y n 4 (Weertman, 1955), pero si la difusión de vacantes ocurre fundamentalmente por líneas de dislocaciones, difusión volumétrica, en lugar de hacerlo por la estructura no deformada, el valor de n se incrementa hasta n 5 o n 6 (Frost and Ashby, 1977). Los modelos de fluencia controlados por difusión indican que el coeficiente B debe ser modificado mediante la ecuación:

冢冣

bDv B A*G(ln) kT

[4.4]

donde G es el módulo elástico cortante, k es la constante de Boltzman, con un valor de 1,38 x 1023 J/K, T es la temperatura absoluta, b es el vector de Burgers, A* es una constante empírica y Dv Dv0e(Q /RT) es el coeficiente de difusión volumétrica, siendo Qv la energía de activación para fluencia y R 8.315 J/(mol.K), la constante de los gases perfectos. v

Fluencia por difusión El fenómeno de la fluencia también se puede producir por flujo difusional de átomos en la frontera de los granos, desde zonas que están sometidas a compresión hasta zonas que lo están bajo tracción. Este flujo de átomos dirigido por las tensiones alarga el material en la dirección de tracción. Del mismo modo, se puede señalar que este mecanismo de fluencia se basa en el flujo de vacantes desde las proximidades de las fronteras de grano sujetas a tracción hacia las proximidades de las sometidas a compresión. La existencia de fronteras de grano, que pueden acoger o liberar átomos, juega un papel importante en la fluencia por difusión, ya que en la

185


estructura de un cristal perfecto la generación de huecos o vacantes requiere energías mucho mayores que las necesarias para generarlos en las fronteras de grano. Un aspecto fundamental a tener en cuenta es que si las fronteras de grano son las únicas fuentes y sumideros de huecos o vacantes atómicas, la difusión tiene lugar sobre distancias del orden del tamaño del grano, d. Tomando como base estas ideas, Nabarro y Herring establecieron la velocidad de fluencia difusional en los granos, o sea a través de la red, mediante la ecuación: D /(kTd2) [4.5] v

v

donde: Dv es el coeficiente de difusión en los granos, es el volumen atómico, d es el tamaño del grano y v es el factor adimensional que depende de la forma de los granos. Mientras que si los átomos se difunden a lo largo de los bordes de grano en lugar de hacerlo a través de los granos, se tiene la ecuación siguiente que corresponde a la fluencia de Coble: [4.6] D /(kTd3) b

b

donde: b alcanza un valor próximo a 50 y Db Db0 e(Q /RT) es el coeficiente de difusión en los bordes de grano. b

En las expresiones anteriores puede apreciarse que, en la fluencia difusional, tanto en el modelo de Nabarro y Herring como en el de Coble, existe una relación lineal entre la velocidad de deformación y la tensión, diferente de la relación existente en el caso del modelo de Norton para la fluencia por movimiento de dislocaciones. La fluencia de Coble es dominante en el caso de temperaturas intermedias y granos de tamaño pequeño, mientras que la fluencia de Nabarro y Herring tiene mayor importancia a temperaturas más altas y mayores tamaños de grano. A tensiones muy bajas, en las ecuaciones anteriores hay que sustituir el valor de por th, siendo th un valor umbral para cada material. Para metales puros, a una temperatura próxima a la mitad de la del punto de fusión, th 1 MPa, excepto para la plata, en que th 1,25 MPa. Deslizamiento de fronteras de grano Otra posibilidad de deformación a alta temperatura es por deslizamiento de las fronteras de grano, observándose que:

186


— A escala atómica, la resistencia al deslizamiento viene determinada por la movilidad de las dislocaciones en las fronteras de grano. En general, esta resistencia es pequeña comparada con el efecto de las partículas duras que puedan existir en dichas fronteras. — Si estas partículas son rígidas, el deslizamiento de los bordes de grano no puede continuar a no ser que las partículas sean evitadas mediante un proceso de acomodación difusional o por fluencia debida al movimiento de dislocaciones. — Los modelos de deformación que consideran los efectos anteriores se denominan «modelos de deslizamiento intrínseco». — Cuando lo que se considera es el deslizamiento de granos individuales, impedido por la disposición policristalina que los rodea, se tienen «modelos de deslizamiento extrínseco». En los modelos de deslizamiento intrínseco, cuando los bordes de grano contienen partículas duras o de forma irregular, la velocidad de deslizamiento es controlada por un proceso de acomodación que evita la separación o el solapamiento de material. En los modelos de deslizamiento extrínseco, asociados al deslizamiento de bordes de grano en policristales, hay que considerar, como premisa fundamental, que una disposición policristalina no puede ser deformada sin deformación de los granos. Es decir, que el deslizamiento está limitado por el material circundante. En la tabla 4.2 se presenta un resumen de los diferentes mecanismos de fluencia, así como las principales características de los mismos.

4.5.5. Mapas de mecanismos de deformación por fluencia Los mapas de mecanismos de deformación por fluencia son diagramas en el plano tensión-temperatura en los que se efectúa una representación esquemática de los diferentes mecanismos de fluencia, descritos en el apartado anterior, que son predominantes en un área determinada. La idea que rige en este tipo de mapas es que los diferentes mecanismos operan independientemente y el que lo hace de forma más rápida determina el comportamiento de deformación y ocupa el área correspondiente. Los límites entre las diferentes áreas se calculan, comparando las ecuaciones de velocidades de deformación que rigen los diferentes mecanismos. En la figura 4.16 se muestra esquemáticamente un mapa de


Mecanismo de fluencia Movimiento de dislocaciones

Velocidad fluencia B( i)n (Norton)

Fluencia por difusión A tensiones bajas sustituir por bDb/(kTd3) (Coble) ( th) u b b/

• Temperaturas altas • Tamaño de grano grande • Difusión a través de los granos • Temperaturas intermedias • Tamaño de grano pequeño • Difusión por contornos de grano • Controlado por dislocaciones/ partículas duras

Nabarro-Herring/ Coble B(f)n

Características • Típico de los metales • Se da a tensiones y temperaturas altas

vDv/(kTd2) (Nabarro-Herring)

Deslizamiento de los bordes de grano

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• Deformación de granos (policristales) • Flujo difusional • Fluencia en los granos • A tensión alta, bordes de granos, rígido • A tensión baja, bordes de granos, deslizante • Tensión característica (B d)1/(n1)

TABLA 4.2

mecanismos de deformación por fluencia, entendiéndose que debe desarrollarse uno específico para cada tipo de material y proceso de fabricación. Se puede observar como el límite entre las zonas de fluencia de Coble y de Nabarro-Herring se calcula igualando sus ecuaciones de velocidad de deformación, teniendo en cuenta que los dos mecanismos de fluencia difusional dependen de forma lineal de la tensión, el límite está representado por una línea recta vertical y el mecanismo que requiere mayor energía de activación, Nabarro-Herring, se encuentra en la zona de temperatura más alta. De forma similar se ha encontrado el límite entre la zona de fluencia de Nabarro-Herring y el régimen controlado por el movimiento y trepado de dislocaciones. En este caso, puesto que ambos mecanismos tienen la misma dependencia de la temperatura, la separación es una línea recta horizontal.

188


FIGURA 4.16

La fluencia de Coble se separa de la zona controlada por el modelo de movimiento de dislocaciones, por una línea que resulta de igualar las ecuaciones que gobiernan ambos mecanismos. Por último, debe observarse que la zona de fluencia por dislocaciones está dividida por dos líneas a trazos. Una de ellas, aproximadamente horizontal, separa el régimen de tensiones bajas en el que el deslizamiento por los bordes de grano es el dominante; de la zona de tensiones altas, donde los bordes de grano se comportan como rígidos. La línea vertical separa la difusión por vacantes a lo largo de líneas de dislocaciones, que tiene lugar a baja temperatura, de la difusión a través de la estructura, que tiene lugar a temperaturas altas. Los mapas de deformación presentan una ventaja práctica importante, ya que permiten extrapolar datos de laboratorio a las condiciones de servicio, con bastante grado de confianza, cuando ambas están en la misma zona del mapa de deformación. Por otra parte, permiten al diseñador elegir la ley constitutiva adecuada para los análisis de tensiones de los componentes en estudio.


189

4.5.6. Fractura por fluencia Durante la etapa terciaria del proceso de fluencia se inicia la estricción de la probeta de ensayo, como consecuencia de la localización de la deformación producida en una determinada zona de la misma. La fractura es dúctil, por lo tanto tendrá una acusada estricción, además de un alto nivel de alargamiento, consecuencia de las deformaciones soportadas. La aceleración de la velocidad de fluencia, durante el estado terciario, puede ser debida a diferentes causas, algunas de ellas se indican a continuación. Una primera causa de esta aceleración puede ser la formación y unión de microcavidades en las fronteras de grano. Estas cavidades podrían haberse formado durante la fluencia primaria, con un efecto despreciable en la velocidad de fluencia, y solo cuando se incrementa su número y su tamaño se produce un debilitamiento del material que puede provocar la fractura. Este modelo de fallo por fluencia es, por tanto, intergranular. Otra causa posible es la degradación de la microestructura del material. Ya se ha indicado anteriormente, las partículas de segunda fase que existen en la mayoría de las aleaciones utilizadas en ingeniería constituyen obstáculos al movimiento de las dislocaciones, dando lugar a un endurecimiento del material. A lo largo del tiempo, puede producirse un crecimiento de las partículas de mayor tamaño, junto con la desaparición de las más pequeñas, lo que origina una pérdida gradual de la resistencia a la fluencia, es decir, un incremento de la velocidad de fluencia. Este efecto, en la práctica, puede ser tan importante como el de la formación de cavidades en las fronteras de grano. La fractura por fluencia se divide en: fractura por deslizamiento de los bordes de grano, denominada en «w»; y fractura por coalescencia de cavidades intergranulares, denominada rotura tipo «r», produciéndose a temperaturas elevadas y cargas medias. En la figura 4.17 se presenta un ejemplo de ambos tipos de fractura, la micrografía superior corresponde al tipo «w» y la inferior al tipo «r», que han tenido lugar al ensayar un acero inoxidable bajo fluencia a temperaturas de 700 y 750°C. Pequeñas adiciones de impurezas pueden cambiar el modo de fallo de transgranular a intergranular y en consecuencia, desplazar la tipología de rotura en el correspondiente mapa. Así, dos coladas de igual composición de un acero inoxidable austenítico, tipo AISI 304, sometidos a fluencia a temperaturas de 550 a 750°C y cargas de 30 a 360 MPa, presentan importantes diferencias en los campos de dominio de cada tipo de fractura: transgranular, intergranular y mixta.

190


FIGURA 4.17

En la figura 4.18 se presentan los mapas fractográficos de las coladas A y B, pudiéndose observar el desplazamiento producido, como consecuencia de la mayor cantidad de precipitación dispersa en los bordes de subgrano de la colada B, lo que facilita la formación de cavidades tipo r, al favorecer la nucleación de cavitaciones en los bordes de subgranos e impedir el deslizamiento de los mismos, deslizamiento que origina la formación de grietas tipo w.


191

FIGURA 4.18

4.5.7. Tiempo de rotura por fluencia La determinación del tiempo necesario para que se produzca la rotura por fluencia en un material, teniendo en cuenta la tensión y temperatura de trabajo, es un dato básico para el diseño de componentes, como ya se ha indicado con anterioridad.

192


Para alcanzar este objetivo, diferentes investigadores han desarrollado trabajos que han permitido establecer la dependencia del tiempo de rotura de la tensión aplicada y de la temperatura. Los principales estudios sobre este tema son los siguientes: — La regla de Monkman-Grant. — El parámetro de Sherby-Dorn. — El parámetro de Larson-Miller. — Las ecuaciones de Kachanov-Rabotnov. — El concepto de proyección . En la tabla 4.3 se presenta un resumen de las fórmulas empíricas obtenidas en cada uno de estos procedimientos de evaluación, así como las principales características de los mismos, estudiándose la metodología del parámetro de Larson-Miller, por ser la de mayor utilización en el campo de la ingeniería y el concepto de proyección , por ser el que describe de forma más ajustada el proceso completo de deformación y rotura.

4.5.7.1. Parámetro de Larson-Miller La aproximación de Larson-Miller consiste en determinar empíricamente, para cada material, un parámetro, P(), dependiente de la tensión, que relaciona la temperatura con el tiempo de fallo, obteniéndose la siguiente ecuación: P() (C log tf) T/1.000

[4.7]

donde C es una constante de valor comprendido entre 17 y 23 que habitualmente se toma igual a 20; tf es el tiempo necesario para que se produzca el fallo, en horas, y T la temperatura de servicio en grados Kelvin. La utilización de este concepto permite, en principio, disminuir considerablemente los tiempos de ensayo de fluencia, aumentando la temperatura de los mismos. En la figura 4.19 se presenta el diagrama general de tiempos de aceros inoxidables austeníticos ensayados bajo fluencia a temperaturas de 550 a 750°C, en el que se representan los valores de P que resulta de los valores experimentales obtenidos para cada temperatura y tiempo de rotura en función de la tensión aplicada, y que dan lugar a la curva que sirve de base para, mediante la aplicación del parámetro de Larson-Miller, extrapolar a tiempos superiores. Por ejemplo, se puede comprobar como a


Metodología

193

Formulación

Características

Monkman-Grant

stf CMG s velocidad de fluencia secundario tf tiempo de rotura

• CMG comprendido entre 0,03 y 0,3 • Permite una reducción importante en el tiempo de los ensayos • CMG representa la deformación acumulada en el fallo, cuando el fluencia estacionario es predominante • En el fallo por estrangulamiento, CMG ⬵ 1/n

Sherby-Dorn

() tfeQ/RT () parámetro de Sherby-Dorn Q energía de activación R constante de los gases

• () función empírica que depende de la tensión pero no de la temperatura • Determinados () y Q, se puede interpolar y extrapolar a otras tensiones y temperaturas • Se supone que la energía de activación Q, es constante.

Larson-Miller

P() (20 log tf) T/1.000 P() parámetro Larson-Miller

• P(), se determina empíricamente • Amplia utilización en materiales de ingeniería

D (1 )(1 )

stf Bn/D tf (D)1

• parámetro de daños, sin significado físico variación de con respecto • al tiempo • B, D, n, , , parámetros que dependen de la temperatura

KachanovRabotnov

Bn (1 ) f D (1 n)

Proyección

= 1 (1 – e– t) + + 3 (e– t – 1) 2

4

• Define la curva de fluencia mediante una ecuación matemática • Parámetros 1, 2,3,4, determinados empíricamente • Rango de validez amplio • Permite definir velocidad de fluencia secundario mediante una expresión matemática • Permite calcular tf en función de una deformación considerada límite TABLA 4.3

194


600°C y bajo carga de 220 MPa se produce la fractura a 100 h; y como a 120 MPa la fractura tiene lugar cuando se alcanzan las 10.000 h. Se puede extrapolar que a esa temperatura el material alcanzará la fractura a las 100.000 horas si se le somete a carga de 80 MPa o a las 300.000 h. si la carga es de 65 MPa, trazando una línea vertical, desde la intersección de la recta 600-873 grados con las rectas de 100.000 y 300.000 horas, hasta que corte a la curva que representa los valores de P.

FIGURA 4.19

Una precaución importante a tener en cuenta en la aplicación de este método es que a causa de las posibles transformaciones metalúrgicas que se pueden originar al incrementar la temperatura, tales como disolución de precipitados, recristalización o transformación de fases, es preciso limitar el rango de temperaturas de aplicación para cada tipo de material.


195

4.5.7.2. Concepto de proyección ␪ El concepto de proyección se basa en la descripción matemática de toda la curva de fluencia, a través de dos ecuaciones correspondientes a las denominadas fluencia primaria y terciaria de la figura 4.14. En ese modelo, la fluencia secundaria o estado estacionario existente entre las fluencias primaria y terciaria, se describe por el estado de mínima velocidad de deformación, correspondiente a la zona de unión de las dos partes de la curva de fluencia mencionada. Es decir, por la parte final de la primaria y la inicial de la terciaria, cuando la disminución de la velocidad primaria se equilibra con el aumento de la terciaria. El modelo de proyección presenta ventajas e inconvenientes respecto a los normalmente utilizados, siendo la ventaja principal que en él se trata de manera integral a la totalidad de la curva de fluencia, en contraposición a otros en los que la descripción se limita a aspectos parciales de dicha curva de fluencia. De esta manera se diferencian comportamientos a fluencia que, aún teniendo una mínima velocidad de deformación, difieren en otras características de interés, como tiempo de fractura y deformación de fractura, lo que confiere a este modelo, siempre que se aplique adecuadamente, un gran poder de predicción. Como principal inconveniente está el relativamente elevado número de parámetros a determinar, y también el que dichos parámetros carezcan de significado físico, aunque es cierto que este último problema es general en los distintos modelos que describen el proceso de fluencia. En las figuras 4.20 y 4.21 se muestran las ecuaciones y la curva correspondientes a los estados primarios y terciarios de fluencia.

FIGURA 4.20

196


FIGURA 4.21

La ecuación que describe la curva de fluencia será la suma de los estados primario y terciario: 1 (1 e2t) 3 (e4t 1)

[4.8]

donde, tal y como se indica en las figuras 4.20 y 4.21, los parámetros 1 y 3 determinan la curvatura de las curvas de fluencia primaria y terciaria, mientras que 2 y 4 cuantifican las deformaciones correspondientes a las fluencia primaria y terciaria. Diferenciando la ecuación [4.8] respecto al tiempo se obtiene la velocidad de deformación para cualquier instante: e2t e4t [4.9] 1 2

3 4

El primer término del segundo miembro decrece con el tiempo, atribuible al endurecimiento por deformación, mientras que el segundo término aumenta con el tiempo, debido al ablandamiento por deformación y procesos de dañado. Este daño es consecuencia de la nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades en las fronteras de grano. De acuerdo con la ecuación [4.8] ambos procesos, endurecimiento y ablandamiento, suceden de manera independiente durante la fluencia. d˙ = 0, correspondiendt do a la velocidad mínima que tiene lugar en el estado estacionario, luego:

La ecuación [4.9] alcanza un valor mínimo para

d˙ = 122e 2t + 324 e 4t = 0 dt

[4.10]


197

Por tanto, el tiempo para el cual se alcanza la mínima velocidad de deformación t tM será: tM =

2 1 ln 1 22 2 + 4 3 4

[4.11]

Las cuatro constantes, 1, 2, 3 y 4, se calculan mediante técnicas no lineales de optimización.

4.6.

INTERACCIÓN FATIGA-FLUENCIA

4.6.1. Introducción En los apartados anteriores se ha efectuado una presentación de los problemas que surgen en los materiales que o bien deben soportar cargas cíclicas y por lo tanto sufren problemas de fatiga o bien trabajan a elevadas temperaturas, por lo que se pueden ver sometidos a un proceso de fluencia. Sin embargo, numerosos componentes instalados en las actuales plantas de generación de energía eléctrica, plantas de procesado, reactores nucleares, motores de aviación y en muchas otras instalaciones, funcionan a temperaturas muy altas, viéndose sometidos a importantes transitorios de tensiones, como consecuencia de los calentamientos y enfriamientos que tienen lugar durante las operaciones de arranque y parada o de las modificaciones en las condiciones de operación que se producen durante el servicio, tal y como se indicó en el apartado sobre fatiga térmica. Por lo tanto, estos componentes deben soportar modelos complejos de deformación-tiempo, que incluyen la deformación cíclica, fatiga, que puede originar agrietamientos en la superficie, la deformación estacionaria, fluencia, que puede originar daños y agrietamientos internos, y una combinación de ambos procesos, es decir la interacción fatiga-fluencia. Cuando ambos procesos, fatiga y fluencia, se producen simultáneamente, es posible encontrar grietas superficiales que se propagan en el interior del material, cuyas propiedades han sido degradadas estacionariamente por un proceso de cavitación, lo que provoca una aceleración del fallo. Se producen entonces dos diferencias importantes en la respuesta del material. En primer lugar, la vida por fatiga disminuye a medida que crece el tiempo de funcionamiento estacionario y en segundo lugar se produce un cambio en el tipo de fallo, pasando de transgranular a intergranular. La base fundamental para que se presente el mecanismo de fa-

198


llo intergranular es que el deslizamiento de los bordes de grano en el frente de la grieta origine una fractura en puntos de triple unión, lo que acelera la propagación de la grieta por fatiga. Adicionalmente a la deformación impuesta, la exposición prolongada a alta temperatura puede originar cambios en la microestructura del material, por un proceso de envejecimiento térmico, junto con la oxidación de nuevas superficies expuestas. Esto no supone un nuevo proceso de fallo, sino simplemente una interacción entre el campo de deformación, básicamente localizado en el frente de la grieta, y la cavitación interna del material. A causa de la naturaleza interactiva de este proceso hasta que se produce el fallo, la aproximación de suma lineal de daños no siempre es adecuada. Por todo lo expuesto, resulta de máximo interés el estudio de la formación y crecimiento de grietas en materiales sometidos a fatiga y fluencia.

4.6.2. Crecimiento de cavidades Los mecanismos detallados por los que se produce el fallo por fluencia, durante cargas estáticas o cíclicas, son complejos y dependen de muchos factores, tales como velocidad de deformación aplicada, temperatura de ensayo, tamaño del grano, resistencia relativa entre la matriz y bordes de grano. Los análisis de mecanismos de daño por fluencia indican que la forma más efectiva de nucleación de cavidades es el deslizamiento de los bordes de grano. La resistencia opuesta a este deslizamiento por los precipitados existentes origina una concentración local de tensiones que lleva a la nucleación de cavidades en los precipitados y su posterior crecimiento. En el caso de fluencia y fatiga, las cavidades deben alcanzar un radio crítico, rc, para evitar su anulación por efecto de la tensión superficial, cuando la deformación por fluencia queda compensada por la deformación inversa por fatiga y se elimina la concentración local de tensiones. El radio rc viene dado por 2 /, siendo la tensión superficial y la tensión de tracción en el precipitado. Cuando la velocidad de deslizamiento de los bordes de grano sea lo suficientemente pequeña como para permitir la relajación de la concentración de tensiones en los precipitados, las cavidades todavía tenderán a nuclearse en las partículas por agrupamiento de huecos, aunque el tiempo de incubación para la nucleación será mayor que cuando existe deslizamiento. Por lo tanto, en el caso de fatiga coincidente con deformación por fluencia, pueden verse involucrados tres posibles mecanismos de fallo:


199

— En primer lugar, el fallo por fatiga tendrá lugar si la cavitación es pequeña o despreciable. — En segundo lugar, el fallo por interacción fatiga-fluencia podrá ocurrir por la interacción entre grietas por fatiga nucleadas superficialmente y cavitadades internas. — Finalmente, el fallo por fluencia ocurrirá si el desarrollo de cavidades tiene lugar de forma más rápida que el proceso de nucleación y crecimiento de grietas superficiales por fatiga.

4.6.3. Crecimiento de grietas De los tres posibles mecanismos de fallo vistos en el apartado anterior, los correspondientes a fatiga y fluencia han sido estudiados en detalle en este tema. Por ello, en este apartado se centra la atención en el correspondiente a la interacción fatiga-fluencia. Los estudios sobre nucleación de daños en bordes de grano indican que ocurre por la generación de concentraciones locales de tensiones como consecuencia del impedimento que ejercen las partículas de precipitados intergranulares al deslizamiento de los bordes de grano. La concentración local de tensiones está relacionada con el tamaño del precipitado, pp, y con su espaciado, p. El consiguiente deslizamiento de los bordes de grano, que origina la cavitación, depende de la velocidad a la que se produce su acomodación, bien por difusión o por deformación plástica. Otros factores que influyen en la formación de daños en los bordes de grano son el nivel de deformación aplicado, la velocidad de deformación y las condiciones microestructurales del material. Estos efectos han sido analizados mediante el examen metalográfico detallado de probetas fracturadas, particularmente para aceros austeníticos inoxidables, sometidos a tiempos de espera cíclicos bajo tensiones uniaxiales, estableciéndose que el proceso de fallo tiene lugar en tres fases diferenciadas. Durante la fase I el crecimiento de la grieta se produce de forma similar a como ocurre durante el ciclo continuo, correspondiéndose con los estados I y II de crecimiento de grietas por fatiga cíclica descritos anteriormente, pudiéndose observar estriaciones, por fatiga transgranular, en la superficie de fractura, y las velocidades de crecimiento no se ven alteradas de forma significativa por la presencia de cavitaciones. En la fase II, la grieta avanza a través de los bordes de grano en los que existen cavitaciones previas, por lo que se caracteriza por una su-

200


perficie de fractura totalmente intergranular y por lo tanto no se observan estriaciones. La velocidad de crecimiento de la grieta durante la fase II es considerablemente más rápida que durante la fase I. La razón más probable para que tenga lugar el incremento de la velocidad de crecimiento de la grieta durante la fase II es que se alcanza una condición que permite la unión de cavidades en el frente de la grieta, lo cual contribuye de forma importante al avance de la grieta. Esta condición viene dada por la siguiente ecuación: ( p) [4.12] 2 donde es la apertura del frente de la grieta, CTOD (Crack Tip Opening Displacement), p es el diámetro de la cavidad, es la distancia entre cavidades y (-p) representa la longitud del ligamento a fracturar para que la grieta avance. Finalmente ocurre la fractura inestable o fase III, que tiene lugar a 45° con respecto al eje de la tensión aplicada y en un solo ciclo, cuando la apertura del frente de la grieta excede el espaciado de las cavidades. Por tanto, la reducción en la vida de los componentes sometidos a fatigafluencia, en comparación con el resultado bajo condiciones de fatiga cíclica continua, se debe fundamentalmente a una reducción en el valor del tamaño de grieta final, af, que permite alcanzar la condición de apertura de la grieta dada por la ecuación [4.12]. No obstante, y teniendo en cuenta que la capacidad para originar una concentración de tensiones depende del tamaño de los precipitados, pp, y de su espaciado, p, la condición que dio lugar a la ecuación [4.12] ha sido modificada, dando como resultado la siguiente ecuación: (p pp) [4.13] 2 donde es una constante que indica la facilidad de generar concentraciones de tensiones en el frente de la grieta, dependiendo del material y de la influencia de la microestructura. En el supuesto de que cada partícula de precipitado fuese capaz de generar una cavidad, se tendría que 1.

4.6.4. Factores que influyen en la fatiga-fluencia En este apartado se considera el efecto que diferentes variables tienen en el proceso fatiga-fluencia, entre las que se encuentran la forma del ciclo de carga, la frecuencia del ciclo, la duración del tiempo de espera, el


201

efecto del envejecimiento térmico previo y de los tratamientos mecánicos, así como el efecto de la microestructura del material.

4.6.4.1. Influencia de la forma del ciclo de carga En la figura 4.22 se presenta la forma de las curvas tensión-deformación frente al tiempo, que se utilizan habitualmente para estudiar la interacción fatiga-fluencia. Estos ensayos indican que la relajación de tensiones durante los tiempos de espera con tensiones axiales, induce daños en el material, reduciendo de forma considerable la vida de fatiga, ya que en estos casos las fracturas que se producen son intergranulares.

FIGURA 4.22

Cuando se introduce en cada ciclo un tiempo de espera con tensiones de compresión, de igual duración que el tiempo de espera con tensiones de tracción, o si únicamente se induce una espera bajo tensiones de compresión, no se originan daños internos, la fractura es transgranular y la resistencia total a la fatiga es igual que en el caso de condiciones cíclicas continuas, lo que se debe a la ausencia de cavitación en estos ciclos. No se produce nucleación de cavidades en ciclos con tiempo de espera bajo tensiones de compresión, ya que en los bordes de grano no existen las tensiones de tracción necesarias para la estabilización de los núcleos formados por el deslizamiento de los bordes de grano. Para el caso de tiempo de espera bajo tensiones de tracción y de compresión, de igual duración, las cavidades iniciadas durante la relajación de tensiones de tracción se eliminan durante la espera bajo tensiones de compresión.

202


Los tiempos de espera impuestos en otras localizaciones del ciclo de histéresis, tales como en los puntos de tensión cero, degradan la vida por fatiga, pero no tanto como los tiempos de espera impuestos en los picos de deformación por tracción. Igualmente, los tiempos de espera impuestos en la zona de tensiones de tracción crecientes tienden a ser más dañinos que los impuestos en la zona de tensiones de compresión crecientes. Cuando se considera la influencia de la aplicación de ciclos lento-rápido o en diente de sierra, como los indicados en la figura 4.23, en los que la velocidad de deformación durante el tiempo de tracción es menor que la velocidad de deformación durante el tiempo de compresión, el fallo bajo este tipo de cargas cíclicas también ocurre por la interacción entre grietas nucleadas en la superficie y la cavitación interna, y que la reducción en la vida por fatiga puede ser incluso mayor que la obtenida en los ensayos con tiempo de espera realizados con igual frecuencia y nivel de deformación.

FIGURA 4.23

La explicación de estos hechos se encuentra en que los fallos ocurren porque la rápida velocidad de deformación durante el período de compresión impide la eliminación de las cavidades producidas por fluencia durante las cargas y deformaciones de tracción. Además, los ciclos del tipo diente de sierra lento-rápido son potencialmente más dañinos ya que, en este caso, a la formación de cavidades contribuye la deformación plástica completa de tracción, mientras que en el caso de ciclos con tiempo de espera la producción de cavitaciones ocurre únicamente durante el


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tiempo de relajación de tensiones. Por el contrario, ciclos del tipo de diente de sierra rápido-lento han mostrado ser menos dañinos. En los ciclos lento-rápido la fractura suele ser intergranular, en los ciclos rápido-lento suele ser transgranular y en el caso de ciclos de carga con rampas de tracción iguales que las de compresión, la fractura es intergranular o transgranular dependiendo de la frecuencia del ciclo de carga, como se indicará en el apartado siguiente.

4.6.4.2. Influencia de la frecuencia y del envejecimiento térmico Al disminuir la frecuencia de los ciclos de carga desde 1 Hz hasta 10 Hz, para diferentes formas del ciclo de carga y diferentes relaciones entre tensiones máximas y mínimas, se produce un incremento de la velocidad de crecimiento de grietas por un factor de 3 a 4. A frecuencias más bajas, la grieta se propaga con una velocidad ligeramente mayor que la apertura del frente de la grieta, /2, resultando su propagación transgranular. 2

Una nueva disminución en la frecuencia del ciclo de carga origina un comportamiento diferente. Durante la primera etapa del ensayo, la velocidad de propagación de la grieta es ligeramente mayor que /2, es decir, da ⬇ K2 y el modo de fractura continua siendo transgranular. Sin emdN bargo, transcurridos aproximadamente 4.500 ciclos de carga, la velocidad de propagación se incrementa bruscamente hasta valores de ⬇ K10 y el modo de fractura se convierte en intergranular. Si en este momento, y con independencia de la frecuencia utilizada en el ensayo, se eliminan los tiempos de espera, se produce una inmediata reducción en la velocidad de propagación y el modo de fractura vuelve a ser transgranular. En el caso del acero envejecido térmicamente, los aumentos en el tiempo de espera no dan lugar a incrementos en la velocidad de crecimiento, pero si se elimina dicho tiempo de espera, la velocidad de propagación disminuye hasta dos órdenes de magnitud, de forma similar a como ocurre en el caso de material sin envejecimiento previo. Una forma esquemática de representar estos hechos se presenta en la figura 4.24, en la que para un valor constante de K, pueden apreciarse tres regiones con diferentes relaciones entre la velocidad de propagación de la grieta, da/dN y la duración de cada ciclo de carga, 1/f, siendo f la frecuencia, para una forma dada de dicho ciclo de carga.

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FIGURA 4.24

En la región I, correspondiente a una frecuencia superior a un valor crítico f0, da/dN es aproximadamente independiente de la frecuencia y el tamaño de la grieta depende únicamente del número de ciclos. El crecimiento de la grieta dependiente del tiempo, en esta región, es despreciable. En la región II, el crecimiento de la grieta consta de una parte dependiente del número de ciclos y de otra dependiente del tiempo. En la región III, el crecimiento de la grieta dependiente del tiempo, da/dt, es constante y el tamaño de la grieta depende únicamente del tiempo, y la dependencia de la velocidad de propagación con respecto a la frecuencia está dada por la ecuación: 1 da da f dt dN

[4.14]

4.6.4.3. Influencia de las condiciones microestructurales Como ya se ha indicado anteriormente, un aspecto clave en el fallo por fatiga-fluencia es la transición a una velocidad elevada del crecimiento de la grieta, debido a la presencia de cavitación por fluencia. Por lo tanto, es fácil deducir que esta transición deberá ser sensible a las condiciones microestructurales del material y a sus efectos en la cavitación. Entre estas condiciones, la más estudiada habitualmente es la deformación en frío del material. Cuando el material se encuentra deformado en frío se produce una rápida transición al estado de crecimiento acelerado de la grieta que es con-


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secuencia de la deformación en frío previa, que promueve una nucleación heterogénea en los precipitados dispersos en forma muy fina, originándose una importante cavitación en los bordes de grano, que facilita la posibilidad de alcanzar la condición de apertura de la grieta que permite el avance de la misma según la fase II de propagación.

4.7. DESGASTE 4.7.1. Introducción Desgaste, fricción y lubricación son hechos interrelacionados que pueden afectar al fallo de un componente. En este apartado se estudiará el desgaste considerando como tal el deterioro o daño de una superficie sólida, causado por el desplazamiento o arranque de material debido a la acción mecánica del contacto con un sólido, líquido o gas. El deterioro gradual también puede aparecer en ocasiones y los efectos serán apreciables sobre todo en las superficies, aunque esta restricción no debe ser rigurosamente aplicada en el análisis de fallos y tampoco se debe presuponer que el desgaste se produce exclusivamente por acción mecánica, puesto que otros factores tales como la corrosión pueden actuar propiciándolo. La fricción es la resistencia al desplazamiento de dos cuerpos en contacto que son forzados a cambiar de posición relativa, que está íntimamente relacionado con los diferentes mecanismos de desgaste que pueden actuar, así como con la lubricación y/o las películas superficiales que estén presentes y también con la rugosidad que tengan las superficies. El calor generado como resultado de la interacción superficial puede afectar al rendimiento de los lubricantes, cambiar las propiedades de las superficies de contacto e incluso las propiedades del material en sí. El calentamiento por fricción puede causar graves problemas de seguridad debido a un ablandamiento de los componentes, un desgaste intenso, gripado e incluso ignición o explosión. Los comentarios precedentes sugieren que lo más deseable es trabajar con valores mínimos de fricción, sin embargo no se debe olvidar que, en ocasiones, valores altos o apreciables de fricción son deseables e incluso necesarios, como por ejemplo en funciones de frenado, recubrimiento, control de tensión de fibras, abrazaderas, etc. que son casos en los que se requiere un control preciso de la fricción y no la ausencia de la misma. La lubricación supone el uso intencionado de alguna sustancia que reduzca la fricción entre superficies en contacto con el fin de mitigar el des-

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gaste, aunque hay que tener presente que la ineficacia de los lubricantes o del sistema de lubricación puede originar fallos repentinos de alguno de los componentes. Exceptuando el caso de rozamiento severo que provoca el colapso, el desgaste suele ser un proceso lento y gradual, por lo que los problemas derivados del desgaste difieren de los asociados con una rotura instantánea de algún componente y su definición no es siempre clara; la eficacia del equipo puede haber disminuido levemente y las causas del desgaste cesar súbitamente, es por ello que el tiempo de vida definido como útil en los componentes usados marcarán los parámetros de separación entre gastado y no gastado. Por ejemplo, los componentes sometidos a deslizamiento o laminado tienen diferentes grados de desgaste, siendo ejemplos claros los cojinetes, engranajes, guías, segmentos de cilindros, frenos y embragues, puesto que el desgaste de estos componentes puede oscilar desde una perdida de pulido leve hasta el severo desgarro de material acompañado de rugosidad superficial. Si el desgaste supone, o no, el fallo del componente dependerá de los efectos nocivos que dicho desgaste suponga para la aptitud de la pieza en el desempeño de su función. Por ejemplo, un desgaste mínimo en la superficie de un cierre de válvula hidráulica puede causar una pérdida de fluido excesiva y el fallo del sistema. Sin embargo, un martillo con graves golpes y pérdida de material puede seguir realizando su función de forma satisfactoria.

4.7.2. Tipos de desgaste El desgaste se puede clasificar de acuerdo con diferentes criterios, el fenomenológico se basa en la descripción macroscópica de superficies desgastadas, entre las que se encuentran el rayado y el rozado. La utilidad de este sistema es limitada porque no pormenoriza las causas del daño y hay que fiarse de soluciones estrictamente empíricas. Mediante otro método se analizan los mecanismos que actúan en el desgaste, el problema es que en general actúan diferentes mecanismos simultáneos o no, y durante un tiempo demasiado corto como para estudiarlos con precisión. Un criterio diferente se basa en la forma y tamaño de las partículas producidas. Así como la terminología y el nivel de desgaste son todavía temas de debate, lo que si está definido y aceptado es que existen tres tipos básicos de desgaste: adhesivo, abrasivo y erosivo que serán pormenorizados a continuación, así como la teoría de delaminación que incorpora elementos de adhesión y abrasión.


207

Desgaste adhesivo Se ha identificado, con diferentes grados de precisión, con términos tales como incisión, roce, desgarro o rayado, encontrándose definido por la Organización Europea para la Cooperación y el Desarrollo como el desgaste producido por transferencia de material desde una superficie a otra, en el curso de un desplazamiento relativo, debido a un proceso de soldadura en fase sólida, una serie de partículas se desprenden de una de las superficies, uniéndose de forma temporal o definitiva a la otra. Las superficies casi nunca están perfectamente pulidas sino que presentan asperezas de diferentes tamaños y formas. Cuando dos de estas superficies se ponen en contacto bajo una presión normal o con una componente normal al plano de las superficies las rugosidades se ponen en contacto y deforman elástica o plásticamente hasta que la tensión entre ambas es superior a la resistencia del material. Se ha propuesto la siguiente expresión para cuantificar este fenómeno: Vad kSL/3H

[4.15]

Vad kSL/H

[4.16]

o bien

donde V es el volumen del material trasferido, S es la distancia de deslizamiento, L la presión entre planos, H la dureza de la superficie dañada y k un factor de probabilidad tabulado, que ha sido estudiado para un gran número de materiales puestos en contacto a diferentes velocidades de desplazamiento relativo, presión de contacto y geometrías. En la aplicación de los valores disponibles hay que tener muy en cuenta el tamaño de la muestra ya que el calentamiento y disipación de calor difieren mucho de una masa a otra, proporcionando mayores velocidades de desgaste en piezas pequeñas. Desgaste abrasivo El desgaste abrasivo o abrasión es el desplazamiento de material de una superficie sólida debido al deslizamiento de partículas duras o protuberancias sobre dicha superficie, se suele dividir en abrasión por roce y abrasión erosiva. Este último mecanismo se refiere al que realizan partículas transportadas por un fluido en contacto con la superficie desgastada, y se discutirá en el apartado sobre erosión. La abrasión simple o por roce puede ser debida a partículas atrapadas entre las dos superficies o

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partículas fijadas en una de las superficies que se desplaza bajo presión sobre la otra, como por ejemplo el desbaste. En términos generales el desgaste por abrasión se clasifica en abrasión por arranque, abrasión por alta presión o abrasión por baja presión. En la primera de ellas, grandes partículas del material son desgajadas produciéndose surcos y cavidades. La abrasión bajo presión elevada va acompañada de la fractura de las partículas abrasivas, la superficie desgastada puede exhibir diferentes niveles de degradación con deformación plástica de fases dúctiles o fractura de las zonas frágiles, generándose un residuo tipo viruta mediante un mecanismo similar a la fatiga. Cuando las partículas no se rompen se trata de una abrasión a baja tensión, que en términos de mecanizado correspondería a una etapa de pulido. Otro método de clasificación distingue entre la abrasión doble o triple, de acuerdo con el párrafo anterior en la abrasión doble, dos cuerpos en contacto, la protuberancia abrasiva se fija en una de las dos superficies en contacto, mientras que en el caso de la triple abrasión se involucran tres cuerpos diferentes, existiendo partículas abrasivas atrapadas entre dos cuerpos en movimiento relativo, resultando este tipo de abrasión ser más débil que el anterior ya que no todas las partículas actúan todo el tiempo ni con la misma fuerza. En términos de mecanizado, las muelas, fresas y papeles de lija se pueden considerar sistemas dobles, mientras que la fricción libre y el pulido se podrían considerar como sistemas triples. Para evaluar la importancia del desgaste por abrasión se suele utilizar la expresión: Vab dQ/dl

[4.17]

que define la velocidad de volumen desplazado por unidad de longitud, siendo Q el volumen arrancado y l la distancia a la que se desplaza. Dado que Q es función de la profundidad de abrasión de las partículas se puede proponer que: Vab W/H

[4.18]

donde W es la fuerza de contacto y H la dureza de la superficie, por lo que se puede poner en la forma: Vab K1 K2 K3 /H

[4.19]

donde K1 es la probabilidad de formación de residuos, K2 es la proporción media de volumen desplazado cuando se forman los residuos y K3 es una constante que depende de la forma de las partículas o protuberancias abrasivas, es la tensión entre superficies y H la dureza de la superficie


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atacada. Obviamente se supone que las partículas son más duras que el material afectado. Los efectos de una gran deformación o una gran velocidad de deformación pueden producir efectos localizados de calentamientos críticos, su influencia en la velocidad de desgaste por abrasión no están claros ni cuantificados, pero deben ser tenidos en cuenta para alcanzar una explicación satisfactoria del fenómeno. Para materiales dúctiles K2 oscila entre 0 y 1, pero para materiales frágiles puede alcanzar valores más elevados. Un aspecto a tener en cuenta es el tamaño de partícula abrasiva ya que en materiales frágiles se puede llegar a la fractura si el radio de la partícula provoca la transición dúctil frágil del material. En términos generales el tamaño crítico decrece cuando la dureza de superficie aumenta y la tenacidad disminuye. Desgaste erosivo El desgaste erosivo o erosión consiste en la pérdida de material de una superficie sólida debida al desplazamiento relativo con un fluido que contiene partículas sólidas. El término erosión abrasiva se utiliza muy a menudo para describir la erosión en la que las partículas sólidas se mueven muy próximas y paralelas a la superficie; el término choque o erosión por impacto se utiliza en los casos en que el fluido incide casi perpendicularmente. Los efectos nocivos de la erosión se han convertido en un tema de gran importancia, especialmente en zonas de ataque de alas, revestimientos de palas diversas, turbinas, palas de helicóptero, bombas centrífugas, válvulas, juntas de canalizaciones, arcos, etc. En algún caso los efectos de la erosión pueden ser deseables por ejemplo en la limpieza con chorro de arena y en el corte de algunos materiales. La erosión se produce como resultado de un elevado número de mecanismos que dependen del tamaño, forma, velocidad y ángulo de impacto de las partículas, así como de la composición y microestructura de la superficie erosionada. La sensibilidad a la erosión varía de los materiales dúctiles a los frágiles, así en los primeros el ángulo de ataque más eficaz es de 20-30° mientras que en los segundos está cercano a los 90°. La erosión de un material es función del tiempo, tiene un periodo de incubación que puede incluir arrastre de material, le sigue un periodo en el que se incrementa el arrastre y, por fin, un estado estacionario. La erosión de los materiales se ha atribuido a diferentes mecanismos, entre los que se incluyen, corte, incisión, extrusión, fragmentación, fractura elástica, elastoplástica y fusión; para explicarla y cuantificarla se han propuesto diversos modelos, ninguno de ellos es completamente sa-

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tisfactorio, pero si está muy claro que cualquiera que sea el modelo elegido debe considerar de forma separada la erosión de materiales dúctiles de la de los frágiles, el problema es que no hay una separación nítida de ambos e incluso se solapan, como sucede en los composites o en los cermets, lo que obliga a utilizar expresiones del tipo: A’cos2senn B’sen2

[4.20]

donde es la velocidad de erosión, A’ es una constante igual a cero en los materiales absolutamente frágiles y B’ una constante también nula en materiales absolutamente dúctiles, n es igual a /2, siendo el ángulo de impacto. En materiales dúctiles la erosión comienza con ángulos de ataque relativamente bajos sea por corte o incisión. Cuando es el corte el mecanismo predominante se puede asimilar a un mecanizado en el que un útil afilado desgaja trozos de material, la incisión actúa como una deformación elástica. La erosión en materiales frágiles se atribuye a grietas resultantes de tensiones hertzianas originadas por impacto, el endurecimiento subsiguiente de la zona y las tensiones generadas que sobrepasan la resistencia del material. Cuando se incrementa la temperatura también se incrementa la velocidad de erosión, lo que ha sido estudiado exhaustivamente por su importancia en turbinas, lo mismo sucede con la corrosión que coadyuva a acelerar la erosión. Por último, la oxidación del substrato propician la separación del óxido extremadamente frágil acelerando la erosión.

4.7.3. Delaminación Para concluir con este apartado y con el tema se presenta brevemente una teoría que permite describir el desgaste de superficies en deslizamiento relativo, basándose en la delaminación superficial. La teoría está íntimamente relacionada con el comportamiento frente a la fricción, la pérdida de material y la forma de las láminas perdidas. Inicialmente el contacto entre dos materiales ocurre en las zonas de asperezas, zonas que se deforman o fracturan fácilmente, evolucionado hacia una superficie más regular. Como resultado de este pulido relativo se generan tensiones superficiales y deformaciones que inducen grietas internas que se nuclean bajo la superficie, propagándose paralelamente a la misma, aflorando eventualmente y produciendo restos. La profundidad de la nucleación, así como su propagación son función de las características del material, de la tensión entre superficies y de las características especificas de dicha superficie.

Tema 5 ESTUDIO DE DEFECTOS EN MATERIALES METÁLICOS

5.1. INTRODUCCIÓN Este tema está dedicado a conocer los efectos que provoca la presencia de defectos en los materiales, de forma especial en los metálicos. Un defecto corresponde a la carencia de algo necesario para ser perfecto. Otra definición, correspondiente a la Real Academia Española, indica que el defecto es la falta de las cualidades propias y naturales de una cosa. También se puede asociar al defecto la ausencia de algo que no permite su correcto funcionamiento o aprovechamiento. Así mismo, por defecto se entiende cualquier imperfección que puede ocasionar el rechazo del producto, tanto si es total como si es recuperable mediante operaciones posteriores. En general, se debe pensar que hablar de defectos en cualquier material no se hace en singular, sino en términos de ciertas cantidades, ya que debido a la presencia significativa de los mismos, los materiales pueden fallar, o sea perder sus propiedades de resistencia, de modo que se puede producir la rotura y por tanto, dejar de ser utilizables. Como el estudio se va a centrar, fundamentalmente, en los materiales metálicos y de forma especial en los aceros, los defectos se pueden clasificar en internos y en superficiales; además se deben separar aquellos inherentes al lingote, o sea los que se originan durante la solidificación del acero líquido; de aquellos que se producen durante la transformación, entendiéndose por transformación al conjunto de operaciones que son posteriores a la solidificación, tales como el enfriamiento y calentamiento que tienen lugar durante el conformado del material. Los defectos originados durante la transformación pueden evitarse casi en su totalidad, si se hacen los controles apropiados durante la realización de los distintos procesos que se desarrollan durante la transfor-

212


mación del material. Sin embargo, los inherentes al lingote son más difíciles de evitar, especialmente los internos ya que se producen por la segregación, precipitación y desoxidación del acero líquido durante el proceso de solidificación. Entre los defectos más destacados en los materiales metálicos se pueden citar las segregaciones, las inclusiones y las grietas. Sus causas, sus efectos y su posible eliminación serán objeto de los diferentes apartados en los que se divide el tema. El estado tecnológico actual permite que, tanto la exactitud en la composición, como la precisión en las formas sea considerablemente elevada, disminuyendo en cantidades apreciables la densidad de defectos superficiales. En cualquier caso, no se debe olvidar que pequeñas mejoras en la calidad, en todo lo concerniente a la fabricación de materiales, supone grandes esfuerzos y, consecuentemente, precios más elevados. Por ello, es muy importante conocer con exactitud las condiciones de servicio, para que con la aplicación de las normativas vigentes en cada momento, se logren los materiales más adecuados y al mejor de los costes posibles. Del examen de las superficies de fractura se obtiene una buena información, siempre que la superficie fracturada se mantenga en su condición original. Así, si una parte se encuentra manchada, indica que antes de alcanzar la rotura existían grietas por las que habían penetrado líquidos o gases. En el desarrollo del tema se presentan diferentes fracturas con el fin de familiarizarse con los distintos tipos de defectos que las provocan.

5.2. LAS IMPUREZAS EN LOS MATERIALES METÁLICOS Se puede decir que las aleaciones metálicas contienen, generalmente, impurezas en cantidades significativas como para influir en sus propiedades, pudiéndose encontrar en solución sólida o como partículas independientes que se denominan inclusiones. Las inclusiones de las aleaciones férreas se dividen, de forma muy general, en tres grupos: óxidos, sulfuros y silicatos. Su forma depende de la acción de dos fuerzas opuestas: las fuerzas que tienden a preservar la forma cristalina de las inclusiones y la tensión superficial que redondea los ángulos y tiende a producir formas con superficie mínima. Aquellas que

ESTUDIO DE DEFECTOS EN MATERIALES METÁLICOS

213

presentan formas cristalinas tienen un punto de fusión más elevado que la matriz en la que se encuentran. La distribución de las inclusiones tiene una gran influencia en las propiedades mecánicas de las aleaciones, siendo especialmente perjudiciales cuando se encuentran en los bordes de grano, ya que pueden incidir considerablemente en la fragilización del material. Entre las impurezas que con más frecuencia aparecen en los aceros y que influyen en su calidad destacan las que contienen fósforo y azufre, como elementos que se encuentran en el acero, y manganeso y silicio, como elementos que se añaden para realizar el proceso de afino; las dos primeras son muy peligrosas ya que son generadoras de fragilidad y por tanto, posibles causantes de fallos irremediables del material. El fósforo forma solución sólida en el hierro presentando gran tendencia a segregarse; dado que su volumen atómico es grande se hace muy problemática su difusión lo que dificulta su homogeneización. Al no combinar con el carbono, todas aquellas zonas en las que el fósforo se encuentra segregado son zonas en las que el carbono no está presente y al ser transformado mediante forja o laminación se forman bandas ferríticas, más fósforo y menos carbono, y bandas perlíticas, más carbono y menos fósforo, que son estructuras sumamente perjudiciales, lo que da lugar a la consiguiente merma en la calidad del acero. El azufre es también peligroso, ya que aunque no se disuelve en el hierro forma con él y con el manganeso sulfuros complejos que con exceso de hierro forman un eutéctico que funde alrededor de los 980°C, lo que no sólo produce la fragilidad del acero, como consecuencia de la fragilidad del eutéctico, sino que además y debido a su bajo punto de fusión puede dar lugar a que en el calentamiento, en tratamientos a temperatura superior a la de fusión del eutéctico, se produzca la rotura del material, debida a la falta de cohesión de los granos de austenita, como consecuencia de la fusión del eutéctico que se encuentra en los bordes de grano de la austenita. Por tanto, cuando el azufre se presenta en el acero en forma de sulfuro de hierro produce fisuras superficiales en el laminado y con el fin de evitar el sulfuro de hierro en cantidades que den lugar a la formación del eutéctico, la proporción de manganeso en el acero debe ser suficiente como para transformar todo el azufre en sulfuro de manganeso, aproximadamente 2,5 veces la del azufre. Otras inclusiones comunes en los aceros al carbono son de los siguientes tipos: sulfuros, alúminas, silicatos y óxidos globulares, tal y como se encuentran regulados por la norma UNE 36-431-81. En los aceros aleados se encuentran óxidos u otros compuestos de los elementos de aleación.

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Impurezas comunes en diferentes metales son: hierro y silicio en el aluminio; silicio en el magnesio; sulfuro de níquel en el níquel, que le fragiliza; hierro, plomo, cobre y pequeñas cantidades de bismuto en la plata; el bismuto, que produce fragilidad, en el oro; sulfuro de bismuto, antimonio y cadmio en los latones y azufre y antimonio en los bronces.

5.2.1. Efecto de las impurezas En términos generales se puede decir que el efecto nocivo de las impurezas dependerá, en gran medida, de cómo se presenten, de su punto de fusión y de su naturaleza. Las menos deseables son aquellas que se presentan en forma de películas continuas o de largas hileras, ya que producen discontinuidades en las que el material base se sustituye por otro material extraño y normalmente frágil lo que induce una cierta fragilidad, con la consiguiente merma de la ductilidad y de la resistencia del material. Si las impurezas tienen un punto de fusión inferior al de la matriz se fundirán al calentar el material, de forma que será suficiente una cierta deformación en caliente para que se produzca la rotura.

FIGURA 5.1


215

Las inclusiones aisladas no deben producir efectos nocivos, salvo que su densidad sea muy elevada o que se acumulen de forma masiva en alguna zona. En las aleaciones trabajadas en frío, las inclusiones aparecen alineadas en forma más o menos continua, la concentración de estas a lo largo de ciertas líneas puede llevar a la formación de cavidades y a originar grietas. En la figura 5.1 se presentan dos micrografías a 500 aumentos que corresponden a un acero inoxidable sometido a deformación uniaxial. En ellas, se pueden observar distintas inclusiones en diferentes estados de formación de cavidades y grietas, haciéndose más ostensibles al aumentar el nivel de deformación. Las inclusiones en las aleaciones se deben considerar como entallas internas en las que se concentran las tensiones, pudiendo conducir a la prematura fractura del material; aunque existen casos en los que las inclusiones no metálicas ejercen un efecto tan beneficioso como es el de facilitar su mecanizado. Por ejemplo, puede aumentarse la velocidad de corte, introduciendo en ciertas aleaciones elementos que forman inclusiones, como es el caso de la adición de azufre a los aceros de bajo contenido en carbono; o plomo, en pequeñas cantidades, a los latones o a los aceros.

5.2.2. Eliminación de las impurezas El método tradicional de eliminación de impurezas que se encuentran en las aleaciones en estado líquido es el de la separación; esta dependerá, en gran parte, de su peso específico y de su tamaño. Mientras las inclusiones ligeras suben fácilmente a la superficie, en la que se recogen, las pesadas permanecen en el metal líquido. El tamaño se verá afectado por la capacidad que tengan de coalescer; la coalescencia de las inclusiones depende de su punto de fusión, siendo las que tienen menor punto de fusión las que coalescen con más facilidad y además ascienden a la superficie. Con la adición de silicio, utilizado como desoxidante, se reduce el punto de fusión y en consecuencia se pueden separar una mayor cantidad de impurezas. De todas formas se debe pensar que el mejor método de eliminación de impurezas es el no crearlas, para ello es conveniente utilizar los mejores componentes para fabricar la aleación, para que sea más limpia y por lo tanto los trabajos de eliminación durante el afino resulten más sencillos.

216


5.3. CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS DEFECTOS En la clasificación que se presenta a continuación, el hecho de que un defecto se considere interno o superficial no significa que afecte exclusivamente a la zona interna o a la externa, se piensa exclusivamente en los defectos en lingotes y en productos forjados y laminados: — Defectos en lingotes: dentro de los distintos defectos superficiales se pueden destacar: sangrado, doble piel, aletas y estalladuras; y entre los defectos internos, rechupes, segregaciones y sopladuras. — Defectos en transformados, inherentes al lingote: entre los superficiales destacan: hojas y costuras; y entre los internos, inclusiones no metálicas y copos. — Defectos en transformados, debidos a la transformación: como defectos superficiales más destacados se encuentran el sobrecalentamiento y quemado, las grietas de forja o laminación, los pliegues y la cola de pez. Por último, como defecto interno destaca la rotura o desgarro central.

5.3.1. Defectos superficiales en lingotes Entre los defectos superficiales que se pueden encontrar en los lingotes, destacan el sangrado, la doble piel, las aletas y las estalladuras, correspondiendo a cada una de ellas unas características determinadas que son expuestas seguidamente. Sangrado Este tipo de defecto se corresponde con la formación en la superficie de costras con aspecto de doble piel, en zonas próximas a las aristas del producto, tal y como se puede observar en la figura 5.2, que corresponde a una palanquilla de colada continua. El sangrado tiene lugar, casi siempre en conexión con las grietas longitudinales, dentro del molde cuando se produce una rotura de la corteza del producto, pudiendo dar lugar a fugas del acero líquido que se solidifica rápidamente, como consecuencia de la intensa refrigeración que se alcanza en esa zona. El agarre en los moldes, la incorrecta centralización del chorro de acero, la alta temperatura de colada son algunas de las causas que provocan la fuga de acero líquido, debiéndose corregir totalmente para evitar la formación de sangrados en lingotes.


217

FIGURA 5.2

Doble piel Es una capa de metal superpuesto a la superficie del lingote, que recubre una zona superficial más o menos grande, existiendo oxidación en la unión de las dos capas que forman la doble piel, originada al rebosar el acero líquido sobre una capa de acero ya solidificada y que se ha separado de las paredes de la lingotera, aunque también se puede producir en la parte superior del lingote, cuando la lingotera se ha llenado y con posterioridad baja el nivel del acero líquido, quedando una capa junto a la pared de la lingotera en forma de «chistera» o «caña de bota», que produce la doble piel al reanudarse el llenado hasta el nivel primitivo. En la figura 5.3 se presenta una macrografía realizada sobre un lingote de acero en la que está presente la doble piel.

FIGURA 5.3

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Este tipo de defecto se detecta visualmente y debe ser saneado por esmerilado, pues no suele observarse en el calentamiento posterior del lingote. Si no se elimina quedará incrustada en el metal con la consiguiente presencia de defectos en el producto transformado.

Aletas Son láminas de acero que sobresalen del lingote, dispuestas perpendicularmente a la superficie, en sentido longitudinal y situadas en las caras o aristas, que se producen por entrada del acero líquido en una grieta de la lingotera, aunque también se pueden producir por el estallido de la lingotera durante la colada, normalmente por choques térmicos bruscos. En la figura 5.4 se presenta este tipo de defecto, que como se puede observar es fácilmente visible. Por otra parte, las aletas dificultan el desmoldeo del lingote, por lo que deben eliminarse antes de la transformación del lingote para que no se produzcan repliegues en el producto resultante. Por último, añadir que las aletas se pueden cortar mediante soplete o por escarpado.

FIGURA 5.4


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Estalladuras Se denominan así a las roturas producidas en la superficie del lingote como resultado de las tensiones de origen térmico o estructural, presentando forma de grieta longitudinal poco abierta y bastante profunda. Este defecto se produce cuando el lingote se enfría sin precauciones durante el desmoldeo y con posterioridad al mismo. Los aceros con alto contenido en carbono o muy aleados son más propensos a este tipo de defecto. Se trata de un defecto grave, ya que normalmente la estalladura penetra bastante en el lingote y hace prácticamente imposible su saneado, lo que provoca que se convierta en chatarra en la mayoría de los casos. En la figura 5.5 se puede observar la estalladura longitudinal en la cara de un lingote de acero.

FIGURA 5.5

5.3.2. Defectos internos en lingotes Entre los que más influencia negativa tienen a la hora de ser utilizados los lingotes para su transformación, se encuentran rechupes, segregaciones y sopladuras.

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Rechupes El rechupe es una cavidad que se forma en el lingote como consecuencia de la contracción que experimenta el acero durante su solidificación y enfriamiento. Cuando el acero líquido se cuela, las paredes del molde absorben el calor rápidamente y se forma, inmediatamente, una costra fina de metal sólido. Esta costra va creciendo hacia el interior por el depósito de metal sólido sobre ella. Cuando el metal líquido del centro empieza a solidificar tira de la costra hacia el interior, pero como esta se encuentra ya rígida no se deforma, produciéndose la rotura a través de la última parte solidificada y creando una cavidad en la región central del lingote. Esta cavidad se llama rechupe o cavidad de contracción, siendo su volumen igual a la diferencia entre los volúmenes del metal en los estados sólido y líquido. En la figura 5.6 se presenta un ejemplo de rechupe central abierto en un lingote de acero.

FIGURA 5.6

Los rechupes se presenta, normalmente, en la parte superior y central, última en solidificar, y preferentemente en la mazarota, aunque su forma y localización pueden depender fundamentalmente del grado de desoxidación del acero. A los rechupes se les considera defectos cuando salen fuera de la mazarota y afectan al lingote, produciendo importantes daños,


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sobre todo cuando son abiertos, pues admiten aire en su interior que oxida sus paredes, no pudiendo soldarse durante la laminación. Los rechupes pueden alcanzar profundidades equivalentes a la mitad de la altura del lingote, con la consiguiente pérdida de material al sanear la parte donde se encuentra, resultando la zona que le rodea porosa, pero de características diferentes a las producidas por sopladuras. Como se ha visto, la causa directa del rechupe es la contracción del metal durante la solidificación; además de esta causa fundamental pueden encontrarse otras, como por ejemplo, si la proporción de manganeso y silicio en la colada de un acero no está bien ajustada, el lingote presentará rechupes. La ley de Brinell predice la aparición de rechupes en los lingotes de acero, según la fórmula: T Mn 5,2 Si 90 Al. Cuando el valor de T es mayor de 1,66 se forman rechupes, pero aunque con valores inferiores no aparecen los rechupes, sí se pueden formar sopladuras. Se han desarrollado diferentes métodos con el fin de eliminar el rechupe o cuando menos disminuir su tamaño en los lingotes. Uno de los métodos utiliza lingoteras con mazarota caliente con el fin de que la cavidad quede localizada en la mazarota y no afecte al cuerpo del lingote, basándose en mantener una reserva de metal líquido en la parte superior del lingote con el fin de prolongar su tiempo de solidificación, de modo que cuando se forme una cavidad en el lingote solidificado, el metal líquido la rellene. Con este fin se aumenta la sección del molde cónico con el extremo de mayor sección hacia arriba. La mazarota caliente es una pieza independiente que se ajusta al molde, presentando un revestimiento interior refractario para minimizar las pérdidas de calor; de esta forma se mantiene una columna de metal líquido entre el molde y la mazarota que aumenta la presión hidrostática dentro del molde. Por el revestimiento de la mazarota el lingote saca una cabeza que se corta después, desperdiciándose menor cantidad de material. También existen métodos de eliminación de rechupes, basados en la compresión del acero líquido. Así, se cuela en una lingotera vertical y por la parte superior se aplica un pistón hidráulico; o bien un pistón empuja a un lingote cónico contra un molde cónico que ejerce una presión lateral sobre el líquido. Por último, conviene mencionar un sencillo y útil método que consiste simplemente en agitar constantemente el metal líquido, consiguiéndose buenos resultados en la prevención de la formación de rechupes. El rechupe se puede detectar, en algunos casos, a simple vista, aunque en otros, y con el fin de poder comprobar su penetración en el lingote, es necesario realizar exámenes ultrasónicos.

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Segregaciones Las segregaciones son producto del proceso de solidificación y se deben a la falta de uniformidad en la distribución de los aleantes, existiendo regiones muy diferenciadas en el contenido de los distintos elementos de aleación, consecuencia de las específicas condiciones de solidificación de las aleaciones. Mientras que la masa permanece en estado líquido, los componentes se distribuyen uniformemente en la solución, produciéndose cambios continuos en la composición química de las fases sólida y líquida al solidificar. Los fenómenos de difusión tienden a igualar las diferencias de composición en la fase sólida, pero no son tan rápidos como la solidificación diferencial y en consecuencia se conservan gradientes de composición en la solución sólida formada en cada momento y al final de la misma. Las segregaciones dependen de diferentes variables, destacando las diferentes afinidades químicas que existen entre los elementos aleantes; los cambios de solubilidad que afectan a la separación de una fase sólida; los gradientes de temperatura y presión a través de la masa en solidificación; los desprendimientos gaseosos; los efectos de difusión debidos a diferencias en la concentración y los debidos a la gravedad. Entre los tipos más destacados se encuentran los siguientes: — Segregaciones microscópicas, microsegregaciones: se presentan como variaciones periódicas de concentración en distancias muy pequeñas, correspondiendo a la escala del tamaño de grano del acero, apareciendo la distribución de los elementos químicos de forma uniforme al ser observados a escalas superiores. — Segregaciones macroscópicas, macrosegregaciones: son aquellas que precisan gradientes de concentraciones entre puntos, que disten lo suficiente como para tomar muestras que permitan realizar los análisis oportunos. — Segregaciones en V: corresponden a segregaciones que aparecen en el centro del lingote con el aspecto de una V, son más frecuentes en el tercio de cabeza del lingote y suelen ir acompañadas de porosidades. — Segregaciones en A: son aquellas que forman una zona anular a medio radio del lingote y están inclinadas en forma de A que se abre hacia el pie y se estrecha hacia la mazarota, presentándose en lingotes de diámetro superior a los 400 mm. En la figura 5.7 se pueden observar, mediante impresión de azufre, segregaciones tipo V, correspondiendo a la sección longitudinal de un lingote de acero.


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FIGURA 5.7

Los elementos que con más frecuencia se segregan en los aceros son: azufre, carbono, arsénico, fósforo y estaño, mientras que otros como cromo, molibdeno y níquel lo hacen en menor cuantía. Para revelar las segregaciones en las aleaciones se emplean el método del macroataque y el de impresión de azufre, aportando ambos métodos información suficiente para conocer la distribución de los elementos que se segregan, aunque sin diferenciar de forma precisa la concentración de los elementos químicos. El macroataque se pude realizar empleando reactivos que se aplican siempre sobre superficies uniformes, limpias y a veces pulidas. Para realizar el método de impresión de azufre se requiere el uso de papel fotográfico al bromuro, que una vez humedecido en ácido sulfúrico se coloca sobre la muestra a estudiar, a la que previamente se la ha efectuado el desbaste necesario, presionando sobre ella durante algunos minutos. La reacción entre los sulfuros presentes en el metal y el ácido, desprende ácido sulfídrico, que a su vez reacciona con el bromuro de plata del papel,

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produciendo sulfuro de plata que colorea de pardo las partes afectadas del papel, revelando el ensayo, tanto la distribución de sulfuros como su concentración relativa en la zona estudiada. Si se quiere conocer la concentración de los elementos segregados, el mejor método a emplear es el análisis químico, aunque el análisis por sonda también proporciona buenos resultados. Las microsegregaciones tienen su origen en las diferencias, que en la composición química se producen durante la solidificación, entre los núcleos de los cristales que se encuentran en periodo de crecimiento y la fase líquida, y solo se modifican parcialmente por la difusión posterior de los elementos solutos dentro del metal sólido. Mientras que las macrosegregaciones son consecuencia de las microsegregaciones, ya que se desplaza delante del frente de solidificación un líquido enriquecido en impurezas que se mezcla con el resto del metal aún líquido, y que por efecto de la difusión y de las corrientes de convección que se forman en los lingotes durante su solidificación, originan heterogeneidades químicas conocidas como macrosegregaciones. Entre los factores de formación más destacados se pueden citar los siguientes: — Pendientes de las líneas «líquidus» y «sólidus» y distancias entre las mismas en los diagramas de equilibrio. Las aleaciones cuyas líneas están muy separadas presentan una gran variedad de concentraciones que son difíciles de homogeneizar. — Subenfriamiento. Para reducir las segregaciones deben efectuarse las coladas a temperaturas lo más bajas posibles. — Tiempo de solidificación. A mayor tiempo de solidificación se producen mayor número de segregaciones, ya que los desplazamientos del líquido son mayores. Así, el acero solidificado rápidamente, al estar en contacto con la lingotera, tendrá una composición muy próxima a la de la colada, mientras que la mazoreta del lingote, que ha permanecido líquida durante mucho tiempo, contendrá un líquido rico en elementos de aleación e impurezas; dando lugar a segregaciones positivas en la zona de mazarota y negativas en el tercio del pie. — Desprendimiento de gases. Cuanto mayor sea este, menor será la producción de segregaciones debido a la agitación que produce el desprendimiento de gases. — Solidificación rápida. Los factores que conducen a una rápida solidificación, como son temperatura baja de colada, moldes fríos y de gran masa, lingotes estrechos, etc, reducen la cantidad de segregaciones.


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— Presencia de grandes cantidades de elementos segregables. Se produce un aumento considerable de las segregaciones, especialmente si son fósforo y azufre. Por otra parte, las propiedades deseables en las aleaciones comerciales solo pueden alcanzarse mediante una distribución uniforme de todos sus constituyentes, aunque, esta condición no la cumplen aquellas aleaciones en las que se encuentran presentes alguno de los distintos tipos de segregaciones, como consecuencia de los gradientes de concentración que algunos elementos de aleación presentan en las distintas partes de las piezas fabricadas. Ejemplo de ello se tiene en distintos aceros en los que, elementos tales como fósforo y azufre presentan concentraciones medias dentro del rango de las especificaciones y como consecuencia de las segregaciones, las concentraciones de estos elementos exceden ampliamente los límites permitidos. Las macrosegregaciones tienen gran importancia porque pueden ser la causa de importantes desviaciones de las características mecánicas, como consecuencia de las diferencias de composición química entre los extremos de mazarota y pie de los lingotes. Para prevenir su aparición se debe colar a la temperatura más baja posible y en lingoteras pequeñas, esta es una forma práctica de restringir su presencia, debiéndose desoxidar cuidadosamente el acero en el horno, de modo que todas las posibles reacciones tengan lugar de forma completa en el baño fundido, siendo la agitación buena para distribuir con más uniformidad los elementos segregables. Sopladuras Las sopladuras son cavidades redondeadas de paredes finas y de tamaño variable, que se producen por la acción de los gases que quedaron ocluidos al solidificar el acero; pudiéndose considerar como macroporosidades. Se localizan en el interior del lingote y, cuando se presentan cerca de la superficie, adoptan formas alargadas en dirección perpendicular a las paredes de la lingotera. En estado fundido, el acero líquido puede disolver distintos volúmenes de gases, tales como monóxido de carbono, anhídrido carbónico, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, que son retenidos en solución, mientras permanece líquido, pudiendo formar compuestos inestables con el metal en estado líquido. Al descender la temperatura hasta alcanzar la solidificación, tiene lugar un rápido descenso de la solubilidad, desprendiendo los gases del acero líquido, aunque cuando el acero está casi solidificado, no todos los gases han podido escapar por lo que algunos quedan reteni-

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dos en cavidades de la masa aún plástica del lingote, lo que da lugar a la formación de sopladuras. En la figura 5.8 se presenta una macrografía en la que se puede apreciar la porosidad interna en un lingote de acero, que se corresponde con un corte transversal en la parte de la mazarota.

FIGURA 5.8

La posición de las sopladuras en los lingotes tiene gran importancia práctica, ya que cuando se encuentran en el interior de los lingotes sueldan, generalmente, durante la transformación en caliente; pero cuando aparecen en la superficie o en sus proximidades, sus paredes están expuestas a la acción oxidante del aire y una vez oxidadas no pueden soldarse al laminar o forjar, dando lugar a defectos superficiales en los productos acabados. Las teorías más importantes que explican el origen de las sopladuras en los aceros, son: — Insuficiente desgasificación o desoxidación del acero. — Excesiva generación y absorción de gases durante la elaboración del acero.


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— Preparación inadecuada de las lingoteras; debidas a falta de limpieza, o a pintura defectuosa, o a salpicaduras adheridas a las paredes internas. — Fallos en el secado del material refractario de piquera, cuchara o bebederos. Las sopladuras localizadas en la superficie de los lingotes en forma de agujeros, se oxidan por contacto con el aire y ya no pueden soldarse en las operaciones posteriores, lo que provoca importantes grietas. Las sopladuras y las porosidad debidas a cualquier otro tipo de defectos reducen la sección útil de la pieza moldeada y disminuyen su resistencia de forma acusada por el efecto de entalla que producen. La porosidad producida como consecuencia de las sopladuras podrá causar daños en el metal en función de su posición, número y tamaño. Entre las recomendaciones más eficientes para la eliminación de sopladuras en los aceros, se pueden destacar las siguientes: — Desoxidar el metal y recarburarle a la vez. — Mantener el acero en la cuchara el tiempo necesario para que se produzca el escape de los gases. — Enfriar rápidamente para que se forme una costra sólida en la superficie del lingote, de modo que proteja las cavidades internas del contacto con el aire. — No usar moldes oxidados. — Colar en arena seca, con ello se reducirá de forma drástica la porosidad en las piezas moldeadas.

5.3.3. Defectos superficiales en transformados, inherentes al lingote Entre los más significativos se encuentran las hojas y las costuras, siendo fácilmente corregibles mediante el esmerilado de las piezas afectadas. Hojas Las hojas son láminas o escamas delgadas que se encuentran adheridas a la superficie de los productos laminados o forjados de una forma

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imperfecta, se deben a los defectos que se encontraban en la superficie del lingote, tales como doble pie, rebabas o aletas. También aparecen cuando la piel de extensas sopladuras subcutáneas se ha oxidado parcialmente durante el calentamiento del lingote, quedando adherida a la superficie del producto laminado pero sin soldar. Este defecto debe ser eliminado mediante esmerilado, tanto en los desbastes como en los productos acabados. Costuras Las costuras aparecen en los aceros como numerosas grietas superficiales, de mayor o menor longitud, muy finas y normalmente poco profundas, estando orientadas en el sentido de laminación y no siempre alineadas. Estos defectos se ponen mejor de manifiesto mediante decapados o ligeros esmerilados, ya que son muy finos y no se observan bien. El examen de superficies mediante partículas magnéticas detecta claramente este tipo de defectos.

5.3.4. Defectos internos en transformados, inherentes al lingote Entre los más destacados se encuentran las inclusiones no metálicas y los copos. Inclusiones no metálicas Las inclusiones no metálicas son partículas de óxidos, sulfuros, silicatos, aluminatos y de escorias, que se encuentran dispersas en cantidades y posiciones variables en los productos terminados. Al existir siempre en los aceros, se considerarán defectos en función de su tamaño y densidad, pudiendo ser endógenas o exógenas; las primeras aparecen durante la elaboración y solidificación del acero y las segundas proceden de la contaminación exterior y accidental. Las inclusiones endógenas se forman al precipitar los óxidos y los sulfuros en el acero líquido, por la reacción del oxígeno del acero con el silicio o aluminio y del azufre con el manganeso. Las exógenas son producto de la erosión mecánica o química que experimentan los refractarios en contacto con el acero líquido durante la colada. La distinción entre ambas es complicada por lo que se las supone de carácter mixto.


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Las principales causas que provocan la formación de inclusiones no metálicas en los aceros son: — Empleo de técnicas incorrectas de desoxidación. — Proceso incorrecto de temperaturas a lo largo de la elaboración del acero. — Contenido excesivo de azufre en el acero. — Utilización de refractarios inapropiados. — Temperatura de colada incorrecta. — Velocidad inadecuada de colada. Durante el proceso de laminación o de forja, las inclusiones se orientan en dirección de la fibra, alargándose las más plásticas y formando cadenas o rosarios las más duras, como son los aluminatos que durante la transformación en caliente se rompen. Las inclusiones no metálicas afectan a las propiedades mecánicas; las pequeñas lo hacen sobre la resiliencia transversal y las mas grandes, especialmente las de óxidos, sobre la resistencia a la fatiga, encontrándose todas ellas normalizadas y pudiéndose detectar por ultrasonidos. Se pueden observar diferentes ejemplos en las siguientes figuras. Así, en la 5.9a se presentan inclusiones de sulfuro de manganeso y silicatos en palanquillas de colada continua. En la 5.9b se presenta el interior de un cigüeñal donde se encuentran presentes, en los puntos triples, inclusiones de sulfuro de manganeso. En la 5.9c se pueden observar silicatos, que son las inclusiones grandes y sulfuros de manganeso que son las pequeñas, que se encuentran en un alambrón en sentido longitudinal, mientras que en la 5.9d el sentido es longitudinal. Por último, en la 5.9e se pueden observar ríos de inclusiones que se encuentran en la palanquilla y que se relacionan con atrapes de escorias, ya que durante su laminación una parte de esas inclusiones se rompe por efecto de la deformación, convirtiéndose en ríos de inclusiones de menor tamaño. Copos Los copos son grietas o fisuras muy finas que se observan en las secciones transversales, que aparecen en las superficies fracturadas como manchas brillantes más o menos redondas, y de diámetro variable, no apareciendo en la superficie sino en la parte interior de piezas forjadas o perfiles laminados.

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a

b

c

d

e FIGURA 5.9

La presencia de copos en el acero se debe a su contenido de hidrógeno y a las tensiones residuales, ya que al disminuir la solubilidad del hidrógeno en el acero sólido durante el enfriamiento, se produce su salida de la solución sobresaturada dando lugar a su precipitación formando pequeños huecos, en los que el hidrógeno atómico se hace molecular. En estas microcavidades el hidrógeno alcanza considerables presiones que son capaces de provocar fracturas frágiles, cuando el acero se enfría lo


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necesario como para disminuir considerablemente su plasticidad. Existen contenidos de hidrógeno que proporcionan un nivel de seguridad, de forma que por debajo de esos contenidos el acero es inmune a la formación de copos. Los aceros más susceptibles a la formación de copos, respecto a su composición química, son los de carbono medio o elevado, y de modo especial aquellos en los que sus aleantes son: Ni, Mn, Mo, Cr y W. El procedimiento más eficaz para evitar la formación de copos es el tratamiento de desgasificación del acero mediante vacío, con ello se puede garantizar un contenido de hidrógeno por debajo del nivel de seguridad. La presencia de copos se detecta mediante examen ultrasónico, siendo un defecto grave ya que la mayoría de las veces da lugar al rechazo de las piezas terminadas, puesto que si se emplean piezas que contienen copos y se las somete a esfuerzos cercanos al límite de fatiga, se produce el crecimiento de las fisuras y su propagación hacía la superficie, ocasionando de este modo su rotura.

5.3.5. Defectos superficiales en transformados, generados en la transformación Se producen, bien por tratar térmicamente a los materiales de forma incorrecta, dando lugar a sobrecalentamientos o quemados, o bien por tratarlos mecánicamente mediante laminados que no se realizan en las condiciones más adecuadas, formándose grietas o pliegues. Sobrecalentamiento y quemado Estos dos tipos de defectos están muy relacionados con los daños provocados durante los tratamientos térmicos, concretamente los producidos por calentamientos y enfriamientos, pudiendo obedecer a dos causas: temperaturas inadecuadas o formas inapropiadas de calentamientos o enfriamientos. Temperaturas excesivamente elevadas pueden dar lugar a sobrecalentamiento y quemado, mientras que si las temperaturas son demasiado bajas no se llegan a conseguir las propiedades deseadas. El enfriamiento o calentamiento demasiado rápido o desigual es otra de las causas de deterioro durante el tratamiento térmico de los metales. El sobrecalentamiento se corresponde con un aumento exagerado del tamaño de grano que da lugar a una degradación de las propiedades mecánicas, produciéndose por haber sometido al acero a una tempera-

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tura de calentamiento muy elevada o por un prolongado calentamiento a temperatura alta en atmósfera oxidante. Al producirse el sobrecalentamiento, las propiedades que presentan los metales no se deben solo al aumento del tamaño de los cristales sino también a la variación que los bordes de grano experimentan, como consecuencia de la precipitación de impurezas que en ellos se producen. Hay que tener en cuenta que, mientras la temperatura se mantiene por debajo de la línea de sólido, no se debe producir fusión parcial, pero como por el sobrecalentamiento tienen lugar variaciones en la composición química y un aumento en la precipitación, resulta que se puede producir la fusión incipiente a temperatura inferior a la deducida del diagrama de fases, como consecuencia del descenso de la línea de sólido debido a la mayor presencia de impurezas. Si el metal se calienta hasta la línea de sólido, la fusión incipiente lo daña con carácter permanente, en este caso el metal se considera quemado. A temperaturas muy próximas a la de solidificación se produce una penetración de oxígeno a lo largo de los bordes de grano, formándose una película de óxido en los mismos, lo que explica la persistencia del efecto nocivo del sobrecalentamiento, aún cuando no se haya alcanzado el punto de fusión. El efecto perjudicial del sobrecalentamiento depende del tiempo de exposición; siendo el perjuicio producido, especialmente apreciable en aceros con contenidos medios y altos en carbono en los que, tanto la resistencia mecánica como la ductilidad disminuyen, mientras que los aceros de bajo contenido en carbono se ven menos afectados por el sobrecalentamiento. Se puede destacar que el aumento del contenido en carbono favorece el sobrecalentamiento, así mismo otros elementos tales como níquel, cobalto o molibdeno, también lo favorecen y hacen más difícil su regeneración. En la figura 5.10 se presenta la macrografía correspondiente a una fractura frágil por sobrecalentamiento en un cigüeñal de prensa. Como resumen del efecto pernicioso que el sobrecalentamiento produce, se puede decir que en él se encuentran combinadas todas las desventajas de las estructuras de grano grueso. O sea, baja resistencia al choque y a la fatiga; reducida resistencia mecánica y escasa ductilidad, acompañado de un aumento de la tendencia a la formación de grietas bajo cualquier condición desfavorable. El método más eficaz para llevar al acero sobrecalentado a su estado normal, es el de recocido total o el normalizado a temperaturas de hasta


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FIGURA 5.10

1.150°C. Cuando el defecto está muy acentuado, en la mayor parte de los casos, es mejor aplicar una nueva deformación plástica en caliente al acero. Este defecto se puede detectar superficialmente si el material presenta el aspecto de piel de cocodrilo, aunque el examen más eficaz es el que se puede realizar sobre las superficies fracturadas, ya que se observa perfectamente el aumento del tamaño de grano, presentando un tipo de fractura muy característico. El quemado, que es un grado más acusado de sobrecalentamiento, se define como el calentamiento del metal a temperatura tan próxima a su punto de fusión que produce un daño permanente por penetración intercristalina de gases oxidantes, o por fusión incipiente. El aspecto que presenta un acero quemado corresponde a un considerable crecimiento del tamaño de grano cristalino, con una alteración pronunciada en los bordes de grano. Aparecen películas de óxido y oquedades en los bordes de grano, conservándose las oquedades oxidadas después de forjar el material; sin embargo, se pueden cerrar después de tratarle térmica o mecánicamente, pero el elemento nocivo que supone la oxidación interior no desaparece,

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aunque la superficie puede aparecer como normal. La apariencia engañosa es un hecho particularmente peligroso del acero quemado, por lo que es necesario seccionar la pieza forjada para conocer si existe algún grado de quemado en ella, no valiendo la simple observación superficial. En la figura 5.11 se presenta una muestra de fleje de acero con los bordes quemados.

FIGURA 5.11

Al igual que para el sobrecalentamiento, la presencia de níquel, cobalto y molibdeno hacen al acero susceptible al quemado, mientras que la adición de cobre, silicio, aluminio, cromo y volframio reducen el riesgo de quemado. Los aceros de contenido alto en carbono se queman con mayor facilidad que los de bajo contenido, puesto que la línea de sólido de los primeros es mucho más baja. El acero quemado se encuentra en un estado permanentemente dañado, lo que implica una falta total de capacidad de recuperarse, viéndose sus características mecánicas totalmente alteradas, no pudiéndose regenerar ni mediante tratamientos térmicos, ni por deformación plástica en caliente. Grietas de forja o laminación Son grietas transversales y de pequeño tamaño, que aparecen en el trascurso de la forja o de la laminación, cuando la temperatura del pro-


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ceso es incorrecta, especialmente si se efectúa una deformación plástica por debajo de la temperatura mínima requerida para cada clase de acero. Los más propensos son los que presentan mayor resistencia a la deformación, por ejemplo los de alto contenido en cromo. Si las grietas no son muy profundas se eliminan por desbastado o descortezado o en el mecanizado posterior a la forja. Pliegues Estos defectos se presentan en los productos laminares como finas grietas longitudinales y en los forjados como discontinuidades transversales con formas curvadas y longitudes pequeñas. Se diferencian de las grietas y de las estalladuras en que estas son radiales y en los pliegues son transversales y curvadas, y además estos contienen óxido en el interior de la superficie que al plegarse quedó atrapado. El material cuando rebosa produce rebordes o resaltes en una pasada, convirtiéndose en pliegues en la siguiente. En función de su profundidad, los pliegues pueden ser eliminados por mecanizado o amolado; siempre teniendo presente los niveles de tolerancia. En la figura 5.12a se presenta una micrografía de una probeta longitudinal de un alambrón en la que se puede observar el pliegue producido durante la laminación en caliente. En la 5.12b la micrografía corresponde a una probeta transversal del mismo alambrón y con mayores aumentos, pudiéndose observar el pliegue producido. La figura 5.12c corresponde a la micrografía realizada sobre una pletina de acero, en la que es posible observar el pliegue formado como consecuencia de la laminación en caliente del acero. Cola de pez Este defecto toma el nombre por la similitud de su apariencia con la forma de la cola del pez, de modo que hay productos laminados que presentan un cierto desgarro en la zona central de sus extremos, abriéndose en dos mitades. Tiene lugar cuando se producen considerables reducciones de espesor al ser laminados productos de gran anchura. Los aceros más sensibles a presentar este tipo de defectos son los aceros con elevado contenido en azufre, o aquellos de grano grueso, ya que el tamaño de grano tiene una cierta influencia en la formación de este defecto.

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a

b

FIGURA 4.2.

c

FIGURA 5.12


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En la figura 5.13 se presenta una macrografía que corresponde a este tipo de defecto presente en una palanquilla de acero.

FIGURA 5.13

Se puede detectar a simple vista, siendo su eliminación más eficaz el corte del extremo defectuoso.

5.3.6. Defectos internos en transformados, generados en la transformación El defecto interno más importante que se da en los productos transformados es el desgarro central de piezas que puede conducir a la fractura de las mismas. Rotura o desgarro central Este defecto produce la rotura del material a lo largo del perfil laminado o forjado, como consecuencia de la formación de cavidades axiales de tamaño y formas variables que se encuentran situadas sobre el eje o en sus proximidades. La principal causa tiene lugar durante el proceso de trabajado en caliente que experimenta el material, ya que las tensiones derivadas de la deformación son considerables en el sentido longitudinal del producto laminado o forjado, lo que da lugar al desgarro central.

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En los productos laminados tiene lugar este defecto cuando el tren es inapropiado al perfil y en los forjados cuando la potencia de prensa es insuficiente para la sección del material a transformar. En ambos casos, tiene gran importancia la diferencia de temperatura que existe entre el interior y la superficie de las piezas tratadas, durante la transformación en caliente. Debido a la influencia que ejercen en la formación de este tipo de defecto, tanto la porosidad central del lingote, como los altos contenidos de azufre en el acero, es necesario partir de lingotes sanos y bien diseñados para evitar estos problemas, ya que de lo contrario, una pequeña deficiencia durante la forja o el laminado ocasionará la rotura interna de la pieza. Este tipo de defecto se detecta mediante la realización de exámenes ultrasónicos a las piezas.

5.4. FRAGILIDAD INDUCIDA POR LOS DEFECTOS La fragilidad se define, generalmente, como el comportamiento de un metal en el que una ligera deformación o cambio brusco de temperatura produce su rotura sin apenas deformación previa. Esta condición está asociada con la baja resistencia al choque y, generalmente, con baja ductilidad. El estado frágil pueden ser una propiedad inherente, o estar producido por tratamientos termomecánicos o por condiciones desfavorables de servicio. A continuación se estudian los distintos modos de fragilizar que presentan los materiales metálicos.

5.4.1. Modos de fragilidad De los distintos modos de fragilidad que se presentan en las aleaciones metálicas se pueden destacar los inherentes a los microconstituyentes, aquellos que se asocian al tamaño de grano, al inducido por deformación, al que provoca la presencia de impurezas, el derivado del envejecimiento y el inducido por la presencia de gases. — Fragilidad inherente de los microconstituyentes. Entre estos se encuentran como más implicados, los carburos, la martensita en los aceros y los compuestos intermetálicos en las aleaciones no férreas. Así, el grado de fragilidad del acero varia sustancialmente en función de la forma estructural de los carburos. Cuando se pre-


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sentan en forma de placas o filamentos, la fragilidad inducida es máxima; mientras que si la forma es globular la fragilidad tiende a desaparecer. La fragilidad inherente de la martensita se produce por altos contenidos de carbono y considerables tamaños de grano; la fragilidad aumenta con la presencia de carbono, con la temperatura de temple y con la velocidad de enfriamiento. En cuanto a los compuestos intermetálicos se pueden mencionar como más representativos, la fase beta de los latones y el eutectoide del bronce. — Fragilidad asociada con tamaño de grano grande. Como es bien conocido, el grano grande tiene una importante influencia sobre las propiedades mecánicas de los metales y aunque el efecto no siempre se aprecia en el ensayo de tracción, no ocurre lo mismo en el de resiliencia, en el que se descubre con absoluta nitidez el efecto pernicioso del grano grueso, ya que presenta una importante reducción de su resistencia al choque. — Fragilidad inducida por el endurecimiento producido por deformación. El endurecimiento por deformación en los metales es causa de fragilidad cuando el trabajado en frío recibido es demasiado elevado, debido a que se supera el potencial de absorción de deformación por parte del metal. — Fragilidad inducida por impurezas en solución. El ejemplo más significativo de este fenómeno lo tiene la presencia de fósforo en los aceros, ya que si su contenido excede el límite admisible, el acero se hace frágil. — Fragilidad debida al envejecimiento. El envejecimiento es el cambio espontáneo de propiedades que se producen en aleaciones metálicas, a temperatura ambiente o moderadamente elevada, después de un tratamiento térmico o un trabajado en frío final, realizándose los cambios con relativa lentitud a temperatura ambiente, pero acelerándose a medida que aumenta la temperatura de envejecimiento. Todo ello indica que el envejecimiento es la manifestación de una tendencia hacia el equilibrio de una condición inestable, creada por operaciones finales realizadas sobre aleaciones metálicas. — Fragilidad inducida por gases. La presencia de gases tales como hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, en las aleaciones metálicas juegan un importante papel fragilizador en los materiales, sobre todo si su presencia tiene lugar en los bordes de grano. Estos gases se pueden encontrar tanto absorbidos, como disueltos, formando compuestos químicos con el metal u ocluidos en las cavidades. En la fi-

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gura 5.14 se presenta una fractura con la parte brillante, característica de este tipo de fragilización por hidrógeno, que corresponde a una pletina laminada en caliente.

FIGURA 5.14

— Fragilidad inducida por irradiación neutrónica. Los aceros con presencia de boro como microaleante y sometidos a irradiación neutrónica, presentan un alto nivel de fragilidad como consecuencia de la reacción neutrón-boro que da lugar a la formación de helio. La coalescencia de precipitados que contienen boro en los bordes de grano, origina durante la irradiación neutrónica la formación de burbujas de helio, con la consiguiente pérdida de resistencia de los granos al ser sometidos a cualquier tipo de esfuerzo y en consecuencia, provocando la rotura intercristalina del acero.

5.4.2. Origen de las fisuras Conocer las causas de fisuración de los materiales es muy importante, no solo desde un punto de vista científico, sino sobre todo con fines prácticos, ya que es necesario fijar la responsabilidad de los fallos de los materiales en servicio. Existen numerosos factores que pueden ser responsables de las roturas, por lo que es necesario realizar una descripción lo más completa posible de lo ocurrido, analizando el aspecto de la fractura a través de la formación y desarrollo de sus grietas que pueden ser trans o intercristalinas.


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La localización de las fisuras es amplia, puesto que se pueden encontrar tanto perpendiculares a la superficie de la pieza rota, como paralelas a la superficie de laminación; pueden estar en la superficie o ser internas. Su trayectoria puede ser una línea recta, o aparecer en zig-zag, o en forma ramificada. El espacio interior de las grietas puede encontrarse vacío, o lleno de productos de oxidación o con depósitos de componentes de la aleación no muy coherentes con la matriz. También se pueden encontrar cambios en la estructura del material adyacente, por ejemplo por descarburación en los aceros; por descincado en los latones; o por la presencia de importantes deformaciones en forma de bandas. Estas características estructurales de las grietas deben tenerse en cuenta al examinar el material fracturado, ya que con su estudio se pueden descubrir, tanto las causas iniciales como los mecanismos conducentes a la rotura. Por ejemplo, las grietas de temple son, fundamentalmente, intergranulares en los aceros al carbono, pero trans o intergranulares en los aceros aleados; las fisuras tienden a seguir tanto las agujas de la martensita como los bordes de grano. — Las fisuras de temple se producen por cambios rápidos de volumen, consecuencia de la contracción originada por el descenso brusco de temperatura y de la dilatación originada durante la transformación de la austenita en martensita. Como estas dos tendencias opuestas no se contrarrestan, se producen tensiones locales de gran magnitud en el acero endurecido. El agrietamiento se provoca sobre todo cuando el contenido de carbono es elevado, puesto que este elemento aumenta la sensibilidad del acero a los cambios rápidos de volumen; o por el sobrecalentamiento anterior al temple, o por la forma inadecuada de la forma de las piezas, por ejemplo aquellas que presentan entallas o ángulos vivos; o por realizar los temples en medios en los que los enfriamientos se desarrollan de forma muy rápida. — Las grietas de revenido se producen normalmente por el calentamiento rápido del acero endurecido. — Las grietas que se originan al calentar el acero son consecuencia de introducir el acero frío en el horno caliente; las grietas se llenan de óxidos y presentan descarburación en toda su longitud. — Las grietas de contracción de las piezas moldeadas se producen por enfriamiento demasiado rápido del metal desde el estado líquido. — Las grietas que presentan las superficies en las aleaciones laminadas se producen, con frecuencia, por la presencia en el acero de in-

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clusiones de bajo punto de fusión, tales como sulfuros de hierro; o de plomo en el caso de las aleaciones de cobre. — El trabajado en frío de metales dúctiles produce la alineación de inclusiones dispersas. Si son duras y se encuentran en gran cantidad, se generan líneas continuas de debilidad que provocan importantes tendencias a la rotura. — Las grietas interdendriticas de las fundiciones de bronce, se producen por la contracción del metal durante la solidificación. — Las sopladuras aplastadas en las piezas moldeadas de cobre electrolítico, aparecen en forma de grietas, como consecuencia de la presión ejercida por el crecimiento de los cristales. — Para prevenir las grietas en los procesos de fabricación y tratamientos térmicos es recomendable realizar recocidos de eliminación de tensiones y enfriamientos de la forma más lenta posible. Así mismo, se debe tener muy presente los cambios progresivos de secciones gruesas a delgadas a la hora de proyectar.

Tema 6 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

6.1. INTRODUCCIÓN Los métodos de ensayo destructivos aplicados al control de calidad permiten conocer con un cierto grado de seguridad el nivel de calidad de una producción, aunque no pueda asegurarse la calidad de todos los elementos de cada lote estudiado. Mientras que los métodos de ensayo no destructivos permiten la inspección de la producción al completo, manteniéndose una calidad uniforme y por tanto, mejorando el nivel en la prevención de accidentes y fortaleciendo los beneficios económicos directos, al disminuir los costes de fabricación y aumentar la producción, e indirectos como consecuencia de su contribución a la mejora de los diseños y al control de los procesos de fabricación. Los métodos de ensayos no destructivos se pueden aplicar en diferentes áreas, entre las que destacan: — Defectología: se trata de la detección de heterogeneidades, discontinuidades e impurezas; de la evaluación de los deterioros producidos por agentes ambientales y de la determinación de los efectos que producen los distintos tipos de tratamientos. — Caracterización de los materiales: permite conocer las características químicas, estructurales, mecánicas y tecnológicas; las propiedades físicas, elásticas, eléctricas y electromagnéticas y la transferencia de calor que tiene lugar en los distintos procesos de transformación. — Metrología: se tiene en cuenta el control de las dimensiones, prestando especial atención a los recubrimientos que se efectúan en determinados materiales, con el fin de mejorar alguna de sus características.

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Los métodos de análisis del deterioro de las piezas en servicio ha evolucionado al avanzar el conocimiento científico y al mejorar la fiabilidad de los equipos utilizados. Así, desde aquel reconocimiento de los anclajes de las llantas sobre las ruedas de los ferrocarriles, mediante el timbre del sonido resultante de golpearlas con un martillo, hasta los sofisticados reconocimientos que se hacen en estos momentos, el empleo de los ensayos no destructivos ha aumentado considerablemente. En este tema se estudian aquellos métodos que permiten detectar la existencia de grietas superficiales y discontinuidades en las piezas, entre los que se encuentran: radiología industrial, ultrasonidos, líquidos penetrantes y partículas magnéticas, como los más utilizados para estos fines. Los ensayos no destructivos han seguido en los últimos años una línea de progreso ascendente, tanto en la mejora de los métodos convencionales como en el desarrollo de nuevas técnicas, permitiendo conocer mejor, tanto cualitativa como cuantitativamente, el estado de los distintos defectos que presentan los materiales, tanto los producidos durante su fabricación como los que se originan durante su transformación, así como los que se derivan de su posterior utilización.

6.2. INSPECCIÓN EN SERVICIO La inspección en servicio tiene por objetivo atenuar y en la medida de lo posible eliminar los fallos de los materiales durante su utilización. Se trata, mediante actuaciones preventivas de inspección, de que los mecanismos o estructuras no pierdan capacidad para desempeñar una tarea para la que fueron proyectados. Dado que los distintos ensayos no destructivos que se conocen, permiten alcanzar los objetivos marcados por los diferentes sistemas de inspección, será necesario seleccionar correctamente los más adecuados y optimizar los procedimientos con el fin de facilitar el objeto de su aplicación, que no es otro que evitar los posibles fallos en servicio. El éxito de la realización de un ensayo no destructivo en la inspección industrial está supeditado al cumplimiento de los siguientes requisitos: — Que el ensayo permita desarrollar correctamente las etapas básicas de la inspección, de manera que se pueda realizar al ritmo de la producción. — Que el ensayo sea programado bajo los criterios de rendimiento y de beneficio económico máximo.

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

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Las etapas básicas de la inspección de un material estructural, mediante los métodos de ensayos no destructivos, se pueden concretar en las siguientes etapas: — Elección del método y de las técnicas más idóneas. — Obtención de una indicación propia. — Interpretación y evaluación de la indicación.

6.2.1. Elección del método Para llevar a cabo la elección del método y de la técnica hay que tener presente, tanto la naturaleza del material como su estado estructural; por lo tanto se deben conocer los procesos de elaboración a que ha sido sometido, así como el tamaño y forma del producto obtenido; además de tener en cuenta que tipo de heterogeneidades se pretenden detectar y que características presenta el material, ya que todos los métodos presentan limitaciones de interpretación, inherentes a su naturaleza o a su propia geometría. Teniendo en cuenta que el aumento de sensibilidad para cada método, lleva consigo el aumento del coste del ensayo, es preciso que previamente se defina el nivel de calidad o nivel de aceptabilidad que el producto requiera, debiéndose especificar tanto los limites de sensibilidad como las tolerancias permitidas en el ensayo.

6.2.2. Obtención de una indicación propia Los métodos radiográficos proporcionan una indicación que es una imagen de las heterogeneidades presentes en el material. Así, en el ensayo por ultrasonidos, la indicación aparece en la pantalla del equipo; en el examen por partículas magnéticas y por líquidos penetrantes, la indicación es una ampliación de la heterogeneidad. Por lo tanto, una característica común en los métodos de ensayos no destructivos es que siguen procedimientos indirectos. O sea, determinan la característica buscada en el producto a través de cualquier otra propiedad relacionada con ella. En la detección de heterogeneidades mediante ensayos no destructivos, las limitaciones en la obtención de una indicación propia vienen supeditadas a su naturaleza, morfología, situación, orientación y tamaño. Por lo tanto, para producir una indicación propia de una heterogeneidad presente en el material es necesario tener conocimiento de las propiedades

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de los productos, de las características de las probables heterogeneidades que puedan presentarse y de los tipos de heterogeneidades que puedan ser detectados mediante las técnicas disponibles en cada momento.

6.2.3. Interpretación y evaluación de la indicación La interpretación consiste en hallar la correlación entre la indicación observada con la propia naturaleza, o con la morfología, o con la situación, o con el tamaño de la heterogeneidad. Se puede definir la interpretación de una indicación como el dictamen sobre aquello que da lugar a esa indicación. La evaluación trata de hallar la correlación entre las heterogeneidades detectadas, con sus correspondientes características y dimensiones, y el efecto que provoque sobre las propiedades que el material requiera en servicio. Es decir, la decisión sobre cuando una heterogeneidad o característica del material afecta a su utilización. El complejo trabajo de evaluar debe ser responsabilidad de un equipo formado por proyectistas, responsables de los ensayos, expertos en fiabilidad y por conocedores de la ciencia y técnica de materiales. Este equipo será el que fije el nivel de calidad, o sea los límites de aceptación o de rechazo requeridos.

6.3. RADIOLOGÍA INDUSTRIAL El estudio de todo lo relacionado con las radiaciones que se utilizan en cualquiera de las ramas de la industria, constituyen un conjunto de técnicas que se denomina radiología industrial. Aquellas radiaciones electromagnéticas de longitud de onda inferior a 102 nm, serán objeto de la radiología. En este apartado se presenta una somera descripción de las técnicas radiográficas que se emplean para resolver los distintos problemas que aparecen en la industria, al efectuar el control de calidad de los materiales. Se estudia la radiografía convencional, rayos X y , además de repasar otras técnicas con características especiales. El empleo de las técnicas radiológicas permite la observación de los distintos tipos de discontinuidades que se encuentran en el interior de los materiales, gracias a los fenómenos de absorción que tienen lugar cuando son atravesados por radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia,


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tales como rayos X y , registrándose sus efectos en placas sensibles a estas radiaciones. Los rayos X fueron descubiertos por W.C. Röntgen al observar que cuando los rayos catódicos incidían sobre el vidrio o un metal, partía de estos un nuevo tipo de radiación con un poder de penetración desconocido en la época, por ello se denominaron rayos X, con una serie de propiedades: — Producir luz al incidir sobre una pantalla fluorescente. — Afectar a las placas fotográficas igual que la luz visible. — Provocar un efecto fotoeléctrico sobre superficies metálicas. — Hacer conductores a los gases por ionización de sus moléculas. — Ser dispersados por todos los materiales y no desviarse por efecto de los campos magnéticos y eléctricos. Por otra parte, H. Becquerel descubrió el fenómeno de la radioactividad, lo que permitió el empleo de fuentes de radio, en aplicaciones industriales, en la década de los veinte en los Arsenales de la Marina de los Estados Unidos. El desarrollo de la tecnología nuclear permitió la fabricación de radioisótopos a precios asequibles, dando lugar a la utilización de gammagrafías, radiografías mediante fuentes isotópicas, como complemento de las radiografías de rayos X. El posterior empleo de partículas de elevado poder de penetración a base de neutrones o de protones de alta energía ha ayudado a resolver importantes problemas. Tanto la radiación procedente de un tubo de rayos X, como la radiación producida por la desintegración de un núcleo radioactivo, poseen naturaleza de ondas electromagnéticas. O sea, se propagan a la velocidad de la luz, no se desvían por efecto de los campos eléctricos ni magnéticos y no poseen masa. La diferencia que existe entre la radiografía de rayos X y la de rayos se encuentra en la fuente productora de la radiación, que para los rayos X es electrónica y para los es isotópica, ya que procede de la desintegración de ciertos núcleos atómicos de elementos radioactivos. Para realizar una radiografía solo es necesario disponer de una fuente de radiación, del objeto que se quiere radiografiar y de un material sensible para que el resultado se refleje en él. En la radiografía, el haz que atraviesa el objeto a estudiar se proyecta sobre el material sensible, dando lugar a la formación de una imagen potencial de dicho objeto, que no es visible por el ojo humano. Si la imagen potencial se mantiene fija sobre el material sensible, durante el tiempo de exposición, se inducirá so-

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bre él una imagen latente susceptible de transformarse, mediante un proceso químico de revelado, en la imagen real observable en la radiografía. Las partes oscuras corresponden a las zonas en las que la intensidad de radiación que pasa a través del objeto ha sido mayor; mientras que la formación de las partes claras se debe a la mayor absorción experimentada por la radiación. En la figura 6.1 se esquematiza la radiografía por rayos X de una cavidad de espesor ec, que se encuentra en un material de espesor e y es atravesada por una radiación de intensidad I. En ella se observa como la superficie Sc proyectada por la cavidad es más intensa que el resto, ya que el coeficiente de absorción, que mide la merma de intensidad que tiene lugar al ser atravesado el material por la radiación, en la cavidad es menor que en el material base, sin defectos, radiografiado. O sea, Ic es mayor que I y en consecuencia, el efecto en la radiografía es el contraste de intensidad de radiación percibida entre la cavidad y el resto de material.

FIGURA 6.1


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6.3.1. Fuentes de radiación Como ya se ha comentado, las fuentes de radiación que se utilizan en la radiografía convencional responden a distintos principios físicos. Así, en los rayos X las fuentes son tubos electrónicos que requieren consumo eléctrico para su utilización; mientras que en los rayos la fuente es isotópica, estos se generan por un proceso espontáneo e irreversible derivado de ciertas reacciones nucleares, no consumiendo energía eléctrica y únicamente perdiendo actividad emisora con el paso del tiempo. Un tubo de rayos X consta de una fuente de electrones y de un blanco sobre el que puedan chocar, estando sujetos la fuente y el blanco a una diferencia de potencial dentro de un recinto, en el que se ha alcanzado un cierto nivel de vacío. La fuente de electrones es el cátodo y el blanco el ánodo. El cátodo consiste, en este caso, en un electrodo cóncavo en el que se alija un filamento de volframio, que al calentarse por efecto de la corriente eléctrica emite un haz de electrones, formando una nube a su alrededor, que una vez focalizados se concentran sobre una pequeña área del ánodo. En el lugar donde el haz de electrones choca contra el ánodo, se encuentra el foco, constituido por una pastilla de metal de elevado punto de fusión insertada en el ánodo. Al chocar los electrones contra el foco y frenarse se producen los rayos X. La pastilla de metal es, normalmente, de volframio que posee un elevado número atómico y genera una radiación de mayor energía y poder de penetración. Existen otros tipos de tubos con ventana de berilio que permiten el paso de una gran parte de la radiación menos energética del espectro. Este tipo de tubos, además de ser muy delicados, son imprescindibles para radiografiar con buena calidad objetos ligeros o muy delgados. Una fuente de rayos es un isótopo radioactivo que emite radiaciones electromagnéticas de un rango determinado de longitudes de onda, encontrándose el material isotópico sellado dentro de una cápsula metálica, siendo el Co60 y el Ir192 los más empleados. Las propiedades más importantes de los radioisótopos, desde el punto de vista radiológico, son: la actividad, el periodo de semidesintegración y el espectro característico. — La actividad de la fuente expresa la cantidad de radiación que puede proporcionar en un determinado instante, o sea la in-

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tensidad de radiación que corresponde al número de desintegraciones nucleares por unidad de tiempo que tiene lugar en una fuente radioactiva. Por tanto, el flujo radiante producido será proporcional al número de desintegraciones que tengan lugar, midiéndose en Curios, siendo un Curio equivalente a la intensidad de 3,7 1010 desintegraciones atómicas por segundo, que es la correspondiente a un gramo de radio. La energía radioactiva por unidad de superficie que se mide a 1 metro de distancia es un indicador de la actividad de la fuente, que se mide en Roentgen/Curio. — El periodo de semidesintegración es el intervalo de tiempo necesario para que la actividad decaiga a la mitad de la inicial. — El espectro característico es el conjunto de las líneas que constituyen el espectro de la fuente; la radiación se compone generalmente de varias longitudes de onda discretas, siendo el espectro emitido función del elemento radioactivo. Las intensidades de las líneas son proporcionales al número de núcleos que, en la unidad de tiempo, se desintegran. Para que el servicio que proporcionen las fuentes isotópicas sea el más adecuado, deben cumplir con los siguientes requisitos: — Emitir un flujo de radiación suficiente para que, tanto la actividad como la energía sean apropiadas a la naturaleza del trabajo. — Poseer un periodo de semidesintegración compatible con el tipo de uso. — Ser lo suficientemente pequeñas como para ser consideradas puntuales. — Ser fáciles de obtener y no resultar excesivamente caras. — Presentar un buen espectro. — Poseer una buena estabilidad, tanto física como química. Si se comparan los resultados radiográficos que proporcionan las fuentes electrónicas y las isotópicas, se observa que la imagen que se obtiene por rayos X está mejor contrastada que la que producen los rayos , siendo esta diferencia más acusada, cuanto más monocromática sea la radiación . Si se tienen en cuenta factores económicos, el equipo de rayos X es mucho más caro que el de rayos . Sin embargo, el de gammagrafía requiere la renovación periódica de la fuente, lo que supone un coste adicional. Para un trabajo abundante y continuo es preferible el empleo de


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fuentes isotópicas, mientras que para trabajos más discontinuos es preferible el empleo de rayos X. Por otra parte, el equipo de rayos funciona sin necesidad de suministro alguno de energía, además de ser más ligero y manejable que el de rayos X, lo que permite colocar la fuente en posiciones más complicadas. Sin embargo, al ser más grandes las fuentes isotópicas que el foco de los equipos de rayos X, la definición de la imagen es algo inferior. Por último, el equipo de rayos X permite variar fácilmente la intensidad y la calidad del haz de radiación, lo que es imposible de realizar con fuentes radioactivas. Las ventajas que presentan las fuentes de rayos son: sus pequeñas dimensiones y su peso ligero, lo que facilita su acceso a zonas complicadas, además de su gran capacidad para penetrar en espesores grandes. Por ejemplo, el espesor máximo que se puede radiografiar una pieza de acero es de 250 mm si la fuente es de Co60 y de 60 mm si es de Ir192; siendo sus energías de radiación de rayos , respectivamente, de 1,33 y 0,137 MeV.

6.3.2. Soportes radiográficos Después de que la radiación atraviesa el objeto, el flujo pasante es más o menos intenso según el espesor y la naturaleza del material radiografiado. La primitiva imagen virtual se transforma en real o radiográfica al proyectarse sobre el material fotosensible adecuado, película, y sufrir el proceso de revelado y fijado correspondiente. La película radiográfica se compone de un soporte de triacetato de celulosa o poliéster transparente, estando provistas a ambos lados del soporte de una capa de emulsión que es sensible a las radiaciones, de una capa de gelatina endurecida que protege la emulsión y de una capa denominada substrato que asegura la adherencia de la capa de emulsión al soporte. La emulsión fotográfica, sensible a la luz y a las radiaciones X y , está constituida por una mezcla de gelatina y de cristales de halogenuro de plata. La selección de un determinado tipo de película para radiografiar, depende no solo del espesor y del tipo de material, sino también de los rangos de energías que se utilicen. Como entran en juego dos factores en oposición, calidad radiográfica y tiempo de exposición, se deben intentar equilibrar en cada caso, por lo que no se pueden dar reglas definitivas. Durante el revelado, un agente químico reduce a plata metálica los granos de haluro impresionados, eliminando el proceso de fijado el ha-

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luro no revelado, dejando transparentes e insensibles las zonas no impresionadas, dando como resultado que las partes claras de la imagen se vuelven transparentes y las oscuras quedan opacas. Después del revelado, la radiografía es el negativo que resulta de la acción de las radiaciones al incidir sobre la emulsión, de forma que las zonas que absorben menor radiación aparecen en ella ennegrecidas. Así, al ser irradiados los defectos presentes en el material, aparecerán en la radiografía más ennegrecidos que el resto, como consecuencia de su menor absorción. En la figura 6.2 se presenta la radiografia de un cordón de soldadura, en la que se puede observar como los defectos, que se caracterizan por tener menor absorción de la intensidad de la radiación, aparecen mucho más ennegrecidos que el resto del material.

FIGURA 6.2

6.3.3. Calidad de las radiografías La calidad de la imagen obtenida en un examen radiográfico se basa en los conceptos de contraste y definición. El contraste se puede expresar como una diferencia entre intensidades que viene afectada por las diferencias de absorción que tienen lugar en la radiografia, siendo la definición una forma de expresar la nitidez. Se puede decir que una imagen mal definida tendrá los contornos borrosos y por tanto, no es cómoda su observación y en consecuencia es difícil trabajar sobre ella.


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Para poder realizar una interpretación correcta de las radiografías es necesario conocer la precisión con la que se pueden percibir, en los detalles de la imagen, las discontinuidades del objeto radiografiado. Se define la resolución de la radiografía como la dimensión más pequeña del defecto que se puede observar en ella, pudiendo ser mejorada empleando voltajes menores que proporcionen ondas de menor energía y por lo tanto de menor poder de penetración. Para plasmar numéricamente la calidad de las radiografías se utilizan los indicadores de calidad de imagen (IQI), también denominados penetrámetros, que son los que permiten identificar el tamaño mínimo del defecto artificial que es posible observar, en función de los voltajes utilizados y de la sensibilidad de las placas. Los penetrámetros son una serie de piezas con defectos artificiales de tamaños variados que se colocan junto a la radiografía durante el proceso, de modo que el más pequeño de los defectos artificiales visibles indica el tamaño menor de los defectos que se pueden identificar en esas condiciones. Han de ser versátiles y de sencilla aplicación, además de ser pequeños, económicos y de fácil normalización, llevando incorporado alguna marca o identificación de su tamaño. Se colocan sobre el objeto, del lado de la fuente, excepto cuando no se pueda, en cuyo caso se colocarán del lado de la película en contacto con la pieza a examinar. Los penetrámetros se pueden agrupar en distintos tipos: de escalerilla, de agujeros y de hilos. Los de escalerilla consisten en gradas o escalerillas talladas en un material de absorción, frente a los rayos X, similar al del material a radiografiar, siendo esencial conocer con exactitud la altura o espesor de los escalones de la escalerilla para evaluar la calidad de la imagen. Los de agujero son placas planas de espesores bien conocidos, en los que se han realizado taladros con orificios de distintos diámetros. Los indicadores de hilos son grupos de hilos montados sobre soportes plásticos, cuyos diámetros varían de forma progresiva, realizándose la lectura sobre el diámetro del hilo más fino que se ve en la imagen.

6.3.4. Exposiciones y técnicas radiográficas En primer lugar se deben conocer las variables que intervienen en el proceso de obtención de imágenes radiográficas correctas, que son las siguientes: — Equipo emisor de la radiación. Hay que tener en cuenta que las condiciones de exposición son reproducibles para el mismo equipo

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de rayos X y que el efecto radiográfico es invariable para un mismo isótopo, salvo el decaimiento de su actividad por el paso del tiempo. — Cantidad y calidad de la radiación. La tensión debe ser regulada con la máxima exactitud, ya que las variaciones de la tensión de excitación modifican la calidad de la radiación. La cantidad depende de la intensidad de corriente que circula por el tubo de rayos X o de la actividad de la fuente en el caso de radiación , del tiempo de exposición y de la distancia del foco o de la fuente a la película. — Tiempo de exposición. Deberá ser lo suficientemente amplio como para que la influencia del error en su medida quede dentro de los límites que no afectan a la calidad de la radiografia. Normalmente, el 5% para contrastes elevados y del 15% para contrastes bajos. Además de estas variables se deben tener en cuenta otras que también intervienen en el proceso de examen radiográfico y que son las siguientes: material a radiografiar, pantallas de refuerzo, filtración de la radiación, distancia de la fuente a la película y sus condiciones de revelado y por último, la densidad radiográfica deseada. La preparación de las radiografias es bastante simple ya que no requieren nada más que disponer de una fuente, del objeto a radiografiar y un material sensible a las radiaciones. Es importante tener en cuenta que la imagen es la proyección cónica de la realidad tridimensional sobre el plano de la película, obteniéndose la mejor definición de la imagen utilizando fuentes lo más pequeñas posibles, haciendo que la distancia entre la fuente y la película sea la mayor posible y que la distancia entre el objeto a radiografiar y la película sea la más pequeña que se pueda. En función de los problemas más comunes que se presentan al utilizar las radiografías, se estudian, a continuación, aquellos que corresponden a uniones soldadas, por ser un importante campo de aplicación de este tipo de ensayos. Las uniones soldadas se pueden clasificar de muy diferentes modos, tratándose únicamente en este apartado el debido a su diseño geométrico, por ello se considerarán las uniones soldadas a tope y en ángulo. A tope son aquellas uniones en las que las piezas a unir se acomodan por sus bordes, de forma que una parte queda a continuación de la otra, haciéndose una preparación en ángulo cuando el material a unir es demasiado grueso, con el fin de asegurarse la penetración del cordón. Cuando las uniones son planas y la unión es en V, debe colocarse la película en la parte de la raíz, situando los penetrámetros al lado de la fuente y de


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acuerdo con la normativa de su utilización. Si las uniones son circulares, uniones soldadas realizadas en objetos de revolución de considerable curvatura, se dispone de diferentes técnicas con sus correspondientes métodos para resolver los problemas que plantean este tipo de objetos. Así, para cada técnica existen métodos en los que se puede poner la película interior y la fuente exterior o la película exterior y la fuente interior o ambas en el exterior. Para que una heterogeneidad sea detectable radiográficamente es necesario que: — Presente un coeficiente de absorción diferente al que tiene el material. — Tenga un tamaño suficiente en la dirección del haz. Además, hay que tener en cuenta que si las heterogeneidades no son esféricas, detectables independientemente de su posición, deberán ser coplanarias a la dirección del haz, porque de lo contrario la probabilidad de detección será escasa, aunque se puede aumentar esa probabilidad realizando radiografías en distintas direcciones. A continuación se resumen los tipos de heterogeneidades que se pueden detectar mediante radiografías por rayos X, distinguiéndose en uniones soldadas las discontinuidades e imperfecciones superficiales de las discontinuidades e impurezas internas.

Discontinuidades e imperfecciones superficiales detectables en uniones soldadas Las discontinuidades superficiales que se tratan a continuación son las que más se encuentran al efectuar soldaduras mediante aporte de material. — Excesos de penetración. En las uniones en U o V, el metal fundido de los cordones que cubren la raíz, rebosa por la abertura de esta, dando lugar a rebabas de metal. Los excesos de penetración aparecen en las radiografías como bandas irregulares bastante más claras que las zonas adyacentes. — Faltas de penetración. Son zonas de la raíz de la soldadura en las que no ha penetrado el metal fundido. La falta de penetración puede ser parcial, normalmente asociada a una falta de fusión en la raíz; total, cuando la sección completa de la abertura de la raíz ha quedado sin rellenar de metal; cóncava, si el metal ha penetra-

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do por los bordes de la raíz sin alcanzar el centro como consecuencia de una rápida solidificación; con rechupe, debida a las tensiones generadas durante la solidificación, sobre todo cuando la raíz presenta aberturas grandes. La falta de penetración parcial aparece en las radiografías como una banda estrecha e irregular de desarrollo rectilíneo, situada a uno de los lados del eje longitudinal del cordón. Cuando la falta de penetración es total, la banda es oscura de bordes rectos, que se corresponden con la raíz; si la raíz es cóncava aparecen una serie de zonas oscuras en el eje del cordón y si presenta rechupes, las distintas bandas son estrechas, irregulares, oscuras y paralelas al eje. — Faltas de relleno. Se deben a la insuficiencia del material aportado para llenar totalmente el espacio existente entre las piezas a soldar, formándose canales en los bordes del cordón. La manifestación radiográfica es de bandas oscuras en los bordes de la imagen del cordón. — Mordeduras. Son consecuencia de falta de material en el borde del cordón, produciéndose por fusión, quemado y pérdida de material, tanto en el base como en cordones anteriores. En la radiografía aparecen una o dos bandas oscuras e irregulares a los lados del cordón. — Salpicaduras. Son pequeñas gotas esferoidales de metal fundido que se encuentran depositadas aleatoriamente en el cordón y sus aledaños, apareciendo en la radiografía como manchas redondeadas de color claro, tanto de forma aislada como formando colonias. — Labios. Aparecen, fundamentalmente, en las soldaduras por resistencia y presión cuando son insuficientes la temperatura y la presión en el proceso, presentándose como discontinuidades debidas a la falta de unión en la soldadura, tanto en los bordes como en el núcleo de la misma. En las radiografías se observan imágenes que corresponden a ligeras faltas de penetración. Discontinuidades e impurezas internas detectables en uniones soldadas Entre las discontinuidades internas más comunes se pueden destacar las siguientes: — Grietas. Son discontinuidades laminares formadas, bien cuando el metal se encuentra totalmente solidificado o cuando se encuentra aún en estado plástico. Pueden ser longitudinales, se encuentran


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en direcciones paralelas al eje del cordón; transversales, su desarrollo es perpendicular u oblicuo al eje del cordón; de borde, se deben a la contracción del cordón que arranca la masa de material aportado, con la consiguiente formación de una importante fisura en el borde del cordón; de cráter, pequeñas grietas localizadas en irregularidades del cordón. En las radiografías las grietas se manifiestan muy ennegrecidas frente al resto del material. — Falta de penetración. Tiene lugar, sobre todo, en uniones en X, ya que la raíz queda en el interior del cordón, por lo que la falta de aporte en dicha zona es interna, originándose por falta de temperatura o por exceso de velocidad en la realización del cordón. En las radiografías aparece como una línea oscura de forma continua o intermitente y con bordes rectos o irregulares. — Falta de fusión. Es consecuencia de la insuficiente temperatura del metal de aporte para fundir el material base, lo que implica que se queden zonas sin soldar. Esta imperfección se puede dar en la raíz, cuando su grado de abertura no es correcto, o entre la masa del cordón y el material base, considerándose en este caso como en el lateral. Su imagen da lugar a líneas oscuras muy nítidas cuando es en la raíz y muy difusa cuando son laterales, por lo que conviene radiografiar el cordón con diferentes ángulos. — Inclusiones. Son impurezas producidas por materiales sólidos atrapados en la masa del metal durante el proceso de fusión, siendo las más comunes las escorias, que son alargadas y frecuentemente encadenadas según líneas paralelas al eje del cordón, formadas por mezclas de óxidos y silicatos, debiéndose su formación a mala limpieza por parte del soldador o mala elección del electrodo si se hace por soldadura eléctrica. — Porosidades. Son inclusiones gaseosas que pueden presentar formas esferoidales o alargadas. Las esferoidales se caracterizan por su redondez, resultando de forma aislada, agrupada o uniformemente distribuidas, apareciendo en las radiografías como manchas oscuras circulares, repartidas según su distribución en el cordón. Las alargadas parecen como tubos curvados o sinuosos, frecuentemente formando colonias y se deben a la existencia de escoria en el material base, o a la existencia de una falta de penetración en la raíz de las uniones en V o al empleo de electrodos húmedos. Su apariencia es de circulo oscuro, acompañada de un añadido curvo más claro cuando se presentan aisladas y de una especie de raspa de pescado cuando se agrupan en colonias en torno al eje del cordón.

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6.3.4.1. Técnicas radiográficas especiales En este apartado se presenta una pequeña introducción al conocimiento de aquellas técnicas que, bien por su desarrollo posterior al de las convencionales o por sus aplicaciones más restringidas, tienen un papel importante en el avance tecnológico. Para su clasificación se tendrán en cuenta: — El empleo, para la obtención de imágenes, de radiaciones electromagnéticas semejantes a las estudiadas anteriormente. — La utilización de energía de partículas subatómicas o subnucleares como agentes de penetración. — Aquellas técnicas en las que las imágenes son inducidas por la radioactividad propia del objeto sobre un adecuado material sensible. Dentro de las técnicas que utilizan radiaciones electromagnéticas de longitud de onda inferior a los 102 nm, su objetivo es similar al de radiografiar mediante rayos X o ; por lo tanto, obtener imágenes permanentes o transitorias de la estructura interna de los objetos. En el grupo de técnicas que utilizan equipos especiales generadores de rayos X, se incluyen los de muy baja tensión, inferiores a 50 KeV; los de alta tensión, entre 1 y 5 MeV; y los de muy alta, superiores a 5 MeV. Entre las técnicas de baja tensión se encuentran la ordinaria y la de absorción diferencial. En la técnica ordinaria se trabaja de forma convencional, aunque teniendo en cuenta tres factores: la absorción del aire, muy perturbador en las radiografías con rayos X muy blandos; la protección de la película frente a la luz y la absorción producida por la propia película. En la técnica de absorción diferencial se incrementa el contraste de la imagen del material y se pueden registrar variaciones mucho más pequeñas en la distribución o en la concentración de elementos dispersos. Las aplicaciones de estas técnicas abarcan numerosos campos de la producción, entre los que destacan los de neumáticos, plásticos, materiales eléctricos y electrónicos. Para la aplicación de las técnicas de alta y muy alta tensión, existen un importante número de equipos aceleradores de electrones, capaces de ser utilizados en radiografía industrial y entre los que destacan los transformadores de resonancia, los aceleradores de Van der Graaf, los aceleradores lineales y los betatrones. La principal aplicación de estos equipos se encuentra en la radiografía de grandes espesores de materiales diversos: acero, bronces, etc., en objetos


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tales como hélices de barcos, calderería pesada, corazas soldadas, piezas gruesas moldeadas o vasijas de presión de reactores nucleares, encontrándose también aplicaciones en las radiografías de estructuras de hormigón. El grupo de técnicas especiales de exposición se caracteriza por emplear fuentes corrientes y películas normales, pero utilizan accesorios peculiares para cada técnica, de forma que alcanzan resultados característicos imposibles de conseguir de otro modo. Destacan las técnicas tomográficas, que permiten discriminar imágenes de una en una y así radiografiar nítidamente secciones de objetos muy gruesos; las de toma de imagen con movimiento del objeto, de la fuente y/o de la película, radiografía cinética, que permite obtener de una vez, mediante una exposición continua con la fuente o el objeto en movimiento relativo, una serie de radiografías que de otro modo requerirían una gran cantidad de exposiciones; y las de microrradiografías, que permiten conseguir información de detalles de pequeños objetos, imposibles de percibir en las radiografías convencionales. Otro grupo de técnicas emplean medios especiales de observación, entre los que destacan la fluoroscopía y la estereorradiografía. La fluoroscopia es una técnica muy empleada en radiología industrial, consiste en sustituir la película radiográfica por una pantalla fluorescente, normalmente de sulfuro de cadmio sobre base sólida encerrando el conjunto entre dos láminas de vidrio; una, que se encuentra en el lado de la radiación fina, la otra que se encuentra en el lado del observador, que debe necesariamente protegerse, ser gruesa y de vidrio de plomo. La pantalla absorbe parte de la radiación que atraviesa la muestra y la remite con una longitud de onda que puede ser visualizada, por lo que las áreas de pantalla que reciben más radiación se vuelven más brillantes. La imagen fluoroscópica tiene sus valores luminosos invertidos respecto a los de la imagen radiográfica. Las ventajas más significativas de la fluoroscopia sobre la radiografia son: — Permitir observar objetos en movimiento. — Proporcionar imágenes en tiempo real. — No consumir material sensible ni requerir laboratorio para procesarle. Los inconvenientes son: — La sensibilidad de la imagen fluoroscópica es inferior a la radiológica.

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— Las condiciones de observación son más precarias y se requiere operadores muy experimentados. — Se necesitan dispositivos para la manipulación a distancia de la pieza. La estereorradiografía se basa en proporcionar, por separado a cada ojo, las imágenes planas del objeto tal y como lo percibe cada retina desde su punto de observación, teniéndose sensación de relieve cuando las imágenes son sendas radiografías del objeto y se observan en un estereoscopio. Otras técnicas radiográficas se basan en la utilización de la emisión que proporcionan las partículas subatómicas, presentando muchas propiedades semejantes a las de los rayos X, resultando como más importantes la neutrografía y la betagrafía. La neutrografía necesita una fuente de radiación, que corresponde a una fuente de neutrones, que una vez producidos, se combinan y atenúan sus energías hasta conseguir un haz homogéneo, de adecuada geometría y energía que atraviesa el objeto en donde sufre dispersión, difusión, y absorción diferencial, dando como resultado un haz pasante, con flujo no uniforme en su sección, cuyas diferencias en la densidad del flujo pasante se traducen en imágenes después de un adecuado tratamiento. Existen diferentes fuentes de neutrones, como por ejemplo: aceleradores, fuentes radioactivas y reactores nucleares, siendo su característica común que se rompen núcleos atómicos y se liberan neutrones que pueden ser empleados en la aplicación de esta técnica. La betagrafía utiliza partículas para obtener imágenes radiográficas, encontrándose su mayor aplicación en el campo de la metrología. Al ser el espectro de la radiación continuo y mucho menos penetrante que los rayos X, hace que ésta técnica sea aplicable para radiografiar objetos muy finos. Por último, se encuentran aquellas técnicas de radiografíar mediante la radiación propia o inducida en el objeto. Para explicar mejor la base de ésta técnica, denominada -autorradiografía, se utiliza un ejemplo de aplicación en el campo de conocimiento de los materiales. La -autorradiografía consiste en recubrir las muestras metalográficas con una delgada lámina de un policarbonato en íntimo contacto, para ser sometidas a la acción de la radiación neutrónica, con un determinado flujo neutrónico en un reactor nuclear. Una vez enfriadas, en términos de radiación, las láminas se separan de las probetas y se atacan en una solución básica, a una cierta temperatura, durante un determinado tiempo. Por ejemplo, si se hace -autorradiografía para conocer la dis-

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tribución del boro, que se encuentra en partes por millón, en una acero inoxidable; tendrá lugar la reacción del isótopo B10, que se encuentra en una proporción del 18,8% en el boro natural, con neutrones, de acuerdo con: 5B10 0n1 2He4 3Li7. Ahora bien, como el helio se corresponde isotópicamente con partículas alfa, será la detección y distribución de éstas partículas las que determine la presencia y distribución del boro en el acero. Para la observación de las trazas producidas en el policarbonato, como consecuencia de la reacción antes señalada, se utiliza la microscopia óptica con contraste interferencial. Con la aplicación de esta técnica se puede conocer perfectamente la distribución del boro en el acero y así determinar el riesgo que puede suponer la utilización en el campo nuclear de aceros inoxidables austeníticos estabilizados con boro en muy pequeñas proporciones, ya que bien por efecto de los tratamientos térmico sufridos por el acero previamente a su empleo o bien por la elevada temperatura que el acero alcanza durante el servicio, los precipitados que forma el boro con el carbono y el cromo, Cr23(CB)6, alcanzan los bordes de grano, reaccionando con los neutrones y en consecuencia, dando lugar a la formación de helio. Es entonces cuando se inicia la fragilización del material, debido a la formación, en los bordes de grano, de burbujas de gas helio que dan lugar al hinchamiento del material con la consiguiente fragilización del mismo. En la figura 6.3 se presentan dos micrografías, la de la izquierda corresponde a la microestructura austenítica del acero y la de la derecha a la -autorradiografía de la misma zona, en ella se puede comprobar como el boro se encuentra precipitado tanto en la matriz como en los bordes de grano, pero no en los de maclas.

FIGURA 6.3

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6.3.5. Protección radiológica La exposición se define como la ionización producida por una radiación X o en el aire, se mide en roentgen y se dice que una exposición es de un R cuando los electrones liberados en una masa de aire de 1,293 mg crean por ionización en el aire, una carga de cada signo igual a una unidad electrostática de carga, correspondiendo dicha masa a 1 cm3 de aire en condiciones normales de presión y temperatura. Todas aquellas personas que trabajan con radiaciones deben ir provistas de un dosímetro, basado en los fenómenos de ionización, que permita controlar los tiempos de exposición, debiéndose de disponer de todo tipo de protección, tanto en trabajos dentro de instalaciones adecuadas, como en aquellos que se realizan fuera. Cuando sea necesario efectuar aproximaciones a las fuentes radioactivas, se debe estudiar detalladamente las operaciones a realizar, así como el tiempo máximo de permanencia en función del flujo radiante emitido. Así mismo, se dispondrá siempre de una señalización inequívoca que delimite las zonas de seguridad, efectuando los oportunos controles mediante los detectores de radiaciones. En las instalaciones fijas se debe conocer con rigor la protección que proporcionan los elementos estructurales del local, tales como muros, suelos, mamparas, etc. Toda discontinuidad en los parámetros de protección deben realizarse de tal forma que la radiación directa no pueda pasar por la discontinuidad, disponiéndose de sistemas de alarma, señalización y emplazamiento, que impidan el acceso del personal a las zonas temporalmente consideradas peligrosas. Al utilizar fuentes de rayos X de baja tensión, hay que tener en cuenta que las radiaciones menos penetrantes presentan ciertos riesgos que se deben considerar, derivándose los mayores peligros de que la piel es la que detiene la inmensa mayoría de ese tipo de radiación, lo que implica un riesgo muy elevado de producirse quemaduras. Los dos instrumentos más utilizados para medir la intensidad de la radiación son las cámaras de ionización y los contadores multiplicadores de gas tipo Geiger-Müller. Las cámaras de ionización miden la ionización producida en un volumen de gas como consecuencia de la radiación que lo atraviesa. Si el gas es aire, la energía media necesaria para producir un par de iones es de 33,7 eV. Los pares así formados vuelven a combinarse si no se aplica un campo eléctrico que separe definitivamente el par. Si se aplica el campo, los iones positivos irán al electrodo negativo y los negativos al po-


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sitivo. A medida que la energía potencial entre los electrodos crece, el número de iones separados aumenta, ocurriendo lo mismo con la corriente iónica que circula entre los electrodos. Al alcanzarse una diferencia de potencial lo suficientemente grande, la corriente crece ya muy lentamente, aunque los incrementos de tensión entre los electrodos sean considerables, alcanzándose la corriente de saturación. Los contadores Geiger-Müller utilizan argón, debido a su escasa tendencia a fijar electrones, ya que cuando el gas es aire, los electrones liberados durante la ionización se fijan de inmediato a las moléculas de oxígeno, dando lugar a iones negativos pesados que requieren más tiempo para emigrar hacia el polo positivo de la cámara que los electrones libres, apareciendo los impulsos como avalanchas de electrones sobre el electrodo positivo. Al elevarse el potencial en la parte final del gradiente de una cámara de ionización, por encima de la zona de saturación, los electrones liberados que atraviesan el gas llegarán a adquirir energía suficiente para ionizar también moléculas adicionales. Repetido este mecanismo de forma sucesiva, se obtiene el efecto multiplicador o de cascada en los impulsos de electrones que llegan al ánodo. En estos contadores, la diferencia de potencial se incrementa más allá de la región de proporcionalidad, de modo que una sola ionización primaria en el gas del contador puede dar lugar a una cascada de diez mil millones de electrones. Tanto los dosímetros de película como los fotoluminiscentes son muy utilizados, permitiendo conocer las exposiciones experimentadas por aquellos que los utilizan.

6.3.6. Procedimiento general de examen por radiografías Para terminar el apartado de radiografia industrial se presenta un resumen de un procedimiento muy general de examen mediante radiografias, cuyo objeto es establecer las normas a seguir para la detección de discontinuidades en los materiales a examinar, siendo su aplicación concreta a la detección y evaluación de discontinuidades de materiales metálicos. Los equipos de rayos X a utilizar son de 150-160 kV con dos focos y con intensidades máximas de 12 y 4 mA. Los de gammagrafia son de Co60 e Ir192 con 50 y 100 Ci, respectivamente. Se emplean pantallas reforzadas de plomo de espesores determinados y las películas utilizadas corresponden a la norma ASME Sec V SE-242. Se utiliza un tipo de penetrámetro según ASTM, que se encuentra representado de forma esquemática para un IQI, en la figura 6.4. El pe-

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netrámetro se coloca, siempre que sea posible, sobre la pieza a inspeccionar en la cara más próxima a la fuente de radiación.

FIGURA 6.4

Para reducir al mínimo la radiación difusa, se debe reducir también la sección de rayos X, mediante el empleo de diafragmas o colimadores, colocados en la ventana de emisión de los rayos X. Generalmente es suficiente colocar detrás del chasis una plancha de plomo de 1,5 mm de espesor. Se utiliza la técnica de simple pared en la que la radiación pasa a través de solo una pared del material, siendo el ángulo del eje de radiación con el plano de la superficie de 90°, excepto en aquellos casos en los que se quiera registrar un defecto desde varios ángulos. La tensión del tubo de rayos X debe ser tan baja como lo permitan las consideraciones sobre el tiempo de exposición, con el fin de conseguir un mayor contrate del objeto a radiografiar y obtener la máxima densidad de la película que pueda ser leída. La calidad de la radiografia será evaluada por medio de un penetrámetro adecuado, que corresponda al espesor a radiografiar y esté convenientemente situado. El agujero correspondiente al 2T del IQI deberá ser visible con definición correcta en la radiografia. En el informe final se debe recoger por lo menos la siguiente información:


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— Referencia al procedimiento seguido. — Identificación de la pieza examinada. — Localización de las marcas de referencia. — Tipo de fuente: fabricante, energía y punto focal. — Distancia, tiempo y técnica de exposición. — Tipo de IQI, separador, pantallas y películas. — Naturaleza del defecto, dimensiones y evaluación. — Nombre del operador, supervisor, nivel de cualificación y las correspondientes firmas. — Fecha de la inspección. — Observaciones.

6.4. ENSAYOS POR ULTRASONIDOS 6.4.1. Introducción La utilización de ensayos por ultrasonidos permite detectar los distintos tipos de discontinuidades, mediante la atenuación del flujo que las ondas ultrasónicas experimentan al interaccionar con los defectos presentes en el material. Los ultrasonidos son ondas acústicas cuyo campo de frecuencias, superior a 20 kHz, se encuentra por encima de la zona audible. Sus aplicaciones, dentro del ámbito de los materiales, se pueden localizar en distintos campos, como por ejemplo: en procesos de colada y solidificación, en tratamientos térmicos, mecánicos y superficiales, en pulvimetalurgia, en procesos de soldadura y, fundamentalmente, en el control de calidad de materiales estructurales en sus diferentes aspectos: detección de heterogeneidades, defectología; determinación de sus propiedades, caracterización; y medida de espesores, metrología. La atenuación que experimentan los ultrasonidos al propagarse en los materiales, aumenta con la frecuencia de vibración, lo que impone un límite superior a la frecuencia empleada para la detección de heterogeneidades. Desde 1945, año en el que se aceptó como ensayo no destructivo hasta la actualidad, sus aplicaciones han avanzado significativamente.

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Para conocer la aplicación de los ultrasonidos al control de calidad de los materiales se deben tener en cuenta algunos de sus aspectos básicos, comenzando por la existencia de distintos tipos de ondas, tales como longitudinales, transversales y de superficie. Ondas longitudinales Son aquellas en las que las oscilaciones se producen en la dirección longitudinal, o sea según la dirección de propagación, denominándose también ondas de presión y compresión, debido a que en ellas se encuentran activas fuerzas de dilatación y compresión, transmitiendo el sonido a través de líquidos y sólidos. Prácticamente todos los palpadores de ultrasonidos emiten ondas longitudinales, a partir de las cuales se generan los restantes tipos. Ondas transversales Al sufrir una excitación como consecuencia de aplicar fuerzas cortantes, las partículas no oscilan según la dirección de propagación sino transversalmente a ella. En los sólidos, la fuerza cortante se transmite a las partículas de los planos adyacentes, dando lugar a oscilaciones transversales retardadas según su distancia al plano de excitación, denominándose también ondas de cizalladura y su longitud de onda queda determinada por la distancia entre los planos en los que las partículas se encuentran en similar estado. La presión acústica, fuerza en ángulo recto por unidad de superficie, de la onda longitudinal se reemplaza por la fuerza cortante alternativa, fuerza por unidad de superficie pero paralela a ella. Por lo tanto, la única diferencia entre presión y cortadura es la dirección. Los gases y los líquidos son incapaces de transmitir ondas transversales, ya que sus moléculas apenas ofrecen resistencia al deslizamiento transversal, por lo que no existen vínculos elásticos que los liguen a su posición cero. Las ondas transversales se utilizan sobre todo en los ensayos no destructivos de piezas sometidas a soldeo. Ondas de superficie Estas ondas se propagan únicamente en la periferia plana o curva del sólido, siguiendo las irregularidades de la superficie o su contorno, sien-


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do su velocidad de propagación, al igual que la de las ondas longitudinales y transversales, independiente de la frecuencia y por tanto es una constante del material, si bien varía con el estado de tensiones de la superficie. A una profundidad del orden de una longitud de onda, las partículas se encuentran prácticamente en reposo, ya que al sobrepasar la superficie la amplitud de la oscilación decrece muy rápidamente. Este tipo de ondas es muy adecuado para detectar defectos en superficies de poca rugosidad.

6.4.2. Interferencia de las ondas con los materiales: atenuación En el campo ultrasónico, un obstáculo viene representado por cualquiera de las heterogeneidades que el material presente, manifestándose por su eco o por su sombra, según se utilice el método de reflexión o el de transparencia. Cuando las heterogeneidades tienen tamaño grande y forma regular, se pueden obtener de su eco o de su sombra suficientes datos para determinar sus características, basándose en conceptos tanto geométricos como ópticos. Lo más frecuente es encontrarse con heterogeneidades tan pequeñas que den lugar a fenómenos de interferencia, tanto en el eco como en la sombra, que dependen del tamaño del obstáculo respecto a la longitud de onda, lo que permite clasificarlos en: — Obstáculos muy pequeños frente a la longitud de onda. — Obstáculos pequeños, del orden en tamaño de la longitud de onda. — Obstáculos grandes en relación con la longitud de onda. Los obstáculos en el campo ultrasónico se comportan como osciladores, por lo que se pueden asimilar a nuevos emisores de ondas que dan lugar a fenómenos de difracción, dispersión e interferencias. En los materiales sólidos tiene lugar un efecto de atenuación que experimentan las ondas como consecuencia de su interacción con el medio en el que se propagan, traduciéndose en una debilitación de las ondas ultrasónicas y debiéndose a dos causas distintas que se superponen simultáneamente: dispersión y absorción. — La dispersión se debe a que los materiales no son homogéneos, por lo que la impedancia acústica varía de forma brusca como consecuencia de sus cambios de densidad, de naturaleza, de condición o de estado. Las heterogeneidades más corrientes son in-

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clusiones, porosidades, precipitaciones, fases cristalinas con sus diferentes estructuras y orientaciones granulares al azar. — La absorción es producto de la conversión directa de energía ultrasónica en calor, pudiéndose explicar mediante el coeficiente de absorción que es función directa de la frecuencia del oscilador y de las características del material ensayado. La presión de las ondas ultrasónicas se amortigua exponencialmente con el coeficiente de absorción y el espesor de la muestra. Las pérdidas por absorción y dispersión reducen, aunque de forma diferente, las posibilidades de empleo de ensayos no destructivos en los materiales. Así, la absorción pura debilita la energía transmitida o la amplitud del eco, tanto de la heterogeneidad como de la pared del fondo. Este efecto se mitiga, entre otras formas, empleando frecuencias más bajas. En cambio, la dispersión es mucho más perturbadora, ya que en el método de reflexión, no solo reduce la amplitud del eco de la heterogeneidad y la del eco de fondo, sino que produce numerosos ecos parásitos con distintos recorridos.

6.4.3. Generación de ondas ultrasónicas Las fuentes de generación de ondas son estructuras cristalinas con respuesta derivada del efecto piezoeléctrico que presentan algunos materiales. O sea, son transductores de los campos eléctricos alternos en vibraciones mecánicas, o viceversa. Las ondas ultrasónicas corresponden al margen superior de frecuencias del espectro de ondas acústicas cuyo límite inferior se encuentra en el entorno de los 16 KHz, siendo las más utilizadas en ensayos de materiales entre los 0,5 y 10 MHz. El palpador transmite ondas, en forma de impulsos, al material a ensayar mediante la vibración del cristal piezoeléctrico, que se encuentra en contacto con la superficie de la pieza. El efecto piezoeléctrico es el fenómeno físico más utilizado, en los ensayos no destructivos para la emisión y recepción de ondas ultrasónicas. — Si un material piezoeléctrico se deforma mediante una presión mecánica externa, aparecen cargas eléctricas en su superficie, efecto piezoeléctrico directo. Inversamente, si un material se coloca entre dos electrodos, cambia su forma si se le aplica un potencial eléctrico, efecto piezoeléctrico recíproco. El directo es receptor de ultrasonidos y el recíproco es emisor de ellos. Con este efecto se generan haces ultrasónicos de frecuencias superio-


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res a 100 KHz. El material más antiguo en el que se da este fenómeno es el cristal de cuarzo; también tiene lugar, entre otros, en el sulfato de litio, en el titanato de bario y en el metaniobiato de plomo. En resumen, las ondas longitudinales se generan mediante los osciladores piezoeléctricos, en forma de disco, de materiales cerámicos polarizados que vibran en la dirección axial. Las ondas transversales se generan aprovechando los fenómenos de transformación de ondas que se producen al incidir una onda longitudinal oblicuamente a la superficie de la muestra de ensayo, de acuerdo con las leyes de la refracción. Después de analizar la naturaleza y las propiedades de las ondas ultrasónicas, se presentan tanto los equipos como las técnicas de operación más adecuadas para realizar ensayos no destructivos por ultrasonidos.

6.4.4. Equipos de ultrasonidos Para realizar los ensayos por ultrasonidos es necesario disponer de una fuente de emisión, provocar la interacción de las ondas ultrasónicas con las piezas de ensayo y por último, registrar las indicaciones que resulten del ensayo. La fuente de emisión de ondas es un generador de impulsos de alta frecuencia que puede ser de cualquiera de los materiales piezoeléctricos ya reseñados, que son transductores de los campos eléctricos alternos en vibración mecánica o viceversa. El transductor de ultrasonidos consiste en un disco de material piezoeléctrico dispuesto en una caja metálica con su alimentación eléctrica, su amortiguador de vibraciones y su protector del desgaste. La señal de entrada del transductor es la energía eléctrica alterna con la frecuencia específica del aparato, mientras que la de salida es la variación senoidal del espesor del cristal con su frecuencia característica. Ambas frecuencias deben de ser iguales con el fin de entrar en resonancia y optimizar la potencia empleada. Existe una gran variedad de equipos de ultrasonidos para ser utilizados en ensayos no destructivos. Así, según se trate de resolver problemas de defectología, detección e identificación de heterogeneidades; problemas de caracterización, naturaleza y estado de los materiales; o problemas de metrología, control de espesores en fabricación o mantenimiento; los equipos diferirán entre sí. Por lo tanto, cada situación requerirá la adecuación de las distintas características básicas de diseño, entre las que se encuentran las siguientes:

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— Sistemas de excitación de los ultrasonidos. El más utilizado es el de excitación por impulsos, en el que el cristal se excita durante un tiempo muy corto y queda en reposo durante un tiempo muy dilatado si se le compara con aquel. De esta forma el cristal emisor puede actuar también como receptor mientras está en reposo, lo que no es posible realizar con los excitadores continuos. — Frecuencia de excitación y dimensionado del cristal piezoeléctrico. Es necesario seleccionar la frecuencia máxima que permita una penetración suficiente, lo que está en función del espesor del material y de su coeficiente de atenuación. Esto es consecuencia de que el poder de penetración del haz ultrasónico disminuye rápidamente con la frecuencia, por lo que si esta se eleva demasiado, puede ocurrir que el haz se atenúe considerablemente antes de alcanzar las heterogeneidades. Para determinar las dimensiones óptimas del cristal piezoeléctrico es necesario conocer todos los detalles del ensayo, como son: tamaño de las piezas, tipo de material y su estado, coeficiente de atenuación, tamaño mínimo de las heterogeneidades y su posición respecto a la superficie de exploración. — Sistemas de emisión y recepción de los ultrasonidos. Los métodos de operación son de resonancia, de transparencia o de sombra y

FIGURA 6.5


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de reflexión; que se caracterizan, a su vez, por la magnitud medida: frecuencia de resonancia, intensidad acústica, tiempo de recorrido de los ultrasonidos y la combinación de estos dos últimos. El más utilizado para defectología, caracterización y metrología, además de por su versatilidad, es el de reflexión mediante la medida de la intensidad de la onda y del tiempo de recorrido. En la figura 6.5 se presenta el esquema de un equipo generador de ultrasonidos, en el que se representa sobre la pantalla el impulso inicial Eo, el impulso de reflexión de la superficie Er que corresponde al eco de fondo y los posibles reflexiones en las discontinuidades o defectos Ed que son los que aparecen, entre el impulso inicial y el eco de fondo, en un punto de la pantalla equivalente al de la localización del defecto con respecto a la superficie de entrada y la del fondo de la pieza ensayada.

6.4.4.1. Factores implicados en la transmisión de ultrasonidos Los factores que influyen en la transmisión de los ultrasonidos a través de la superficie de exploración de la muestra son los siguientes: — Medio de acoplamiento. Como consecuencia de la necesidad de emplear medios acústicamente conductores entre el transductor y la muestra, ya que en la técnica por contacto la película de aire existente entre ambos impediría la trasmisión de casi la totalidad de la presión acústica incidente, se utilizan aceites minerales y grasas como medios de acoplamiento. En los ensayos por inmersión, el medio de acoplamiento es el propio líquido que rodea a la muestra. — Condición y estado de acabado de la superficie de exploración. La cascarilla de óxidos o los recubrimientos, consecuencia de tratamientos térmicos, termomecánicos o de protección, presentan faltas de adherencia con el material base que dan lugar a sensibles mermas de la presión acústica incidente debido a la existencia de la película de aire interpuesta. Por otra parte, la rugosidad de la superficie de la muestra disminuye la transmisión de la presión acústica y produce cambios en la dirección del haz, además de generar ondas parásitas superficiales. — Curvatura de la superficie de exploración. La curvatura de la superficie de exploración produce fenómenos de cambio en la divergencia del haz, dificultando su focalización lo que da lugar a falsas

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indicaciones. Estos fenómenos dependen del sentido de la curvatura de la superficie de exploración y del tipo de ensayo. — Frecuencia de excitación y diámetro del cristal. Cuanto mayor sea la longitud de onda, mayor será la rugosidad crítica y, en consecuencia, se estará más lejos de las condiciones que den lugar a fenómenos de interferencia y a disminuciones de la presión acústica. Cuanto mayor sea el grado de rugosidad superficial, será más aconsejable reducir la frecuencia, dentro del margen que permita alcanzar el nivel de sensibilidad y la capacidad de resolución requeridos, compensando otros efectos desfavorables mediante empleo de transductores de mayor diámetro, focalizantes, o de doble cristal. La comparación entre la muestra patrón y la muestra ensayada con el fin de determinar el tamaño de las heterogeneidades necesitará que ambas presenten una superficie de exploración con idéntica curvatura y que su estado de acabado superficial y el medio de acoplamiento sean muy similares.

6.4.4.2. Palpadores Los palpadores son una de las unidades básicas del equipo de ultrasonidos y por lo tanto se deben integrar como parte del mismo, ya que de ellos dependen las características y cualidades del haz de ultrasonidos que se propaga en el material. El diseño de los palpadores responde a resultados de carácter empírico, disponiéndose de una diversidad de tipos en los que se apoya el gran número de técnicas de operación que se pueden aplicar. En la figura 6.6 se representa un palpador de forma esquemática con sus distintos componentes, un cristal piezoeléctrico, amortiguador, carcasa, zapata y conector, dependiendo sus características del tipo de cristal y de la forma de efectuar el montaje, clasificándose en dos grandes grupos: de contacto y de inmersión. Palpadores de contacto Se aplican, mediante una cierta presión, directamente a la superficie de la muestra, interponiendo un medio de acoplamiento, clasificándose según la dirección de propagación del haz con relación a la superficie de la muestra, en palpadores de incidencia normal y en angulares. Los pal-

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FIGURA 6.6

padores de contacto de incidencia normal se utilizan con métodos de reflexión, de transparencia y de resonancia y se aplican a resolver problemas de defectología, de metrología y de caracterización, llevando incorporados, osciladores o cristales que emiten ondas longitudinales, lo que da lugar a poder disponer de distintos tipos de palpadores. Un palpador debe poseer gran sensibilidad y poder de resolución, utilizando para ello, aquellos que dispongan de diámetro y frecuencia máximos y que además sean compatibles con la atenuación del material, teniendo presente la conveniencia de mantener la amortiguación en valores bajos con el fin de que el cristal sea capaz de detectar impulsos acústicos débiles. Los palpadores angulares de contacto de ondas longitudinales y transversales son una consecuencia de la aplicación de las leyes que rigen la refracción de las ondas ultrasónicas al incidir angularmente en una superficie límite entre dos medios, por las que una onda longitudinal con incidencia angular sufre un desdoblamiento que da lugar a que en uno de los medios se propaguen, simultáneamente, una onda longitudinal y otra transversal. Consisten en un oscilador de ondas longitudinales aplicado a una de las caras de un prisma de plástico, de forma que el haz emitido incide sobre la superficie del material según un ángulo determinado, donde se transforma en un haz de ondas transversales. En la figura 6.7 se presenta de forma esquemática este tipo de palpador.

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FIGURA 6.7

Palpadores de inmersión Son similares a los normales, con la característica especial de ser totalmente estancos y disponer de la posibilidad de ser focalizados por medio de lentes adheridas al cristal. Presentan una serie de ventajas, consecuencia de que la transmisión de los ultrasonidos desde el palpador a la muestra se efectúa a través de una columna de líquido, por lo tanto sin contacto directo entre el palpador y la muestra, lo que permite: — Eliminar los riesgos de rotura y desgaste del cristal oscilador. — Emplear frecuencias más elevadas que con los palpadores de contacto, ya que el riesgo de rotura de los cristales es mínimo. — Propagar el haz ultrasónico en la muestra con el ángulo de penetración deseado, bien como ondas longitudinales o como transversales, pudiéndose variar la inclinación del palpador con relación a la muestra de forma continua. — Aumentar la velocidad del ensayo, al no existir rozamiento, por lo que están indicados para ensayos automáticos. Entre las limitaciones se encuentran las relacionadas con los efectos de la rugosidad de la superficie de la muestra y el de la curvatura de superficies convexas.


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Palpadores especiales Existen, además, un buen número de palpadores especiales, entre los que se pueden citar los siguientes: — Palpadores libres. En los que el cristal oscila libremente, ya que está sometido a su propia amortiguación interna, puesto que carecen de amortiguador, lo que implica un poder de resolución muy bajo y una sensibilidad muy acusada. Se utilizan en materiales con elevado poder de atenuación. — Palpadores superamortiguados. Donde la amortiguación es máxima, de modo que son capaces de transmitir impulsos acústicos extremadamente cortos, lo que implica un poder de resolución elevado. Se utilizan para el examen de productos de pared delgada y de bajo coeficiente de atenuación y, en general, donde se requiera un poder de resolución elevado. — Palpadores puntuales. Disponen de una aguja de acero, cuya punta se apoya sobre la muestra de ensayo y en el extremo opuesto lleva adherido un cristal piezoeléctrico muy pequeño, del diámetro de la aguja, muy sensible como receptor y sin amortiguación alguna, por lo que solo se utilizan como receptores.

6.4.5. Métodos de ensayo Los métodos de ensayo vienen establecidas por la naturaleza de las heterogeneidades y por las características de las muestras, por lo tanto los métodos operativos deberán adecuarse a la naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de las mismas, estando supeditados a las características de las muestras de ensayo: naturaleza, estado, forma, tamaño, accesibilidad, condición o estado de acabado y curvatura de la superficie de exploración. Como ya se ha visto con anterioridad, se dispone de distintos tipos de ondas: longitudinales, transversales y de superficie, además de la posibilidad de recurrir a ensayos con incidencia normal o angular a la superficie de la muestra. Se puede operar según distintos métodos, bien en contacto con la superficie de exploración o bien por inmersión de la muestra, lo que permite realizar ensayos automáticos. Así mismo, se dispone de una amplia gama de palpadores cuyas características propias como son frecuencia, diámetro y disposición, unidas a las del propio equipo de ultrasonidos, permiten conjugar los diversos parámetros del ensayo, longitud

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del campo próximo, divergencia del haz, penetración, sensibilidad, poder de resolución y transmisión a través de la superficie de exploración. La forma de las muestras y las características que se desean medir o detectar en las heterogeneidades implican, una vez seleccionado el método, la elección del tipo de ensayo.

FIGURA 6.8


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El método por reflexión es el más utilizado tanto por su sencillez de aplicación como por su facilidad de interpretación, radicando su principal característica en que son las ondas reflejadas en defectos y contornos del material las que son detectadas y visualizadas en la pantalla del equipo. En la figura 6.8 se presentan diferentes posibilidades de aplicación. Así, la 6.8a corresponde a una grieta en una chapa, típica de productos forjados. En la 6.8b se utilizan dos palpadores para la detección de una grieta que forma ángulo con la dirección del haz. En las 6.8c y 6.8d se ensayan defectos en soldaduras con uno y dos palpadores, respectivamente. El método por transmisión o transparencia se utiliza, fundamentalmente, en sistemas automatizados, basándose en las variaciones que se producen en la transmisión de energía ultrasónica como consecuencia de la presencia de defectos, variaciones que quedan reflejadas en el impulso que recibe la pantalla. Presenta el inconveniente, entre otros, que los defectos no pueden ser localizados en profundidad, ya que solo se registra el impulso transmitido, cuya posición solo depende del espesor de la pieza. Ensayos con incidencia normal Se utilizan en los métodos de reflexión, en los de transparencia y en los de resonancia, empleándose fundamentalmente ondas longitudinales en casi todos los ensayos. La incidencia normal a la superficie de exploración se aplica, generalmente, en los ensayos de muestras de forma geométrica simple y para medir espesores, detectándose, fundamentalmente, heterogeneidades de morfología laminar cuyo plano principal sea perpendicular al eje del haz, así como heterogeneidades esféricas o cilíndricas. Los ensayos por reflexión se pueden realizar bien por la técnica de eco simple o por la técnica de ecos múltiples. — Técnica de eco simple. La técnica de eco simple consiste en graduar la base de tiempo de modo que la anchura total de la pantalla represente el espesor o zona del material cuyo examen sea de interés. — Técnica de ecos múltiples. La técnica de ecos múltiples requiere que la muestra presente dos superficies paralelas relativamente próximas, pudiéndose aplicar por contacto o por inmersión. Se consigue graduando la base de tiempos de manera que en la pantalla aparezcan las indicaciones de los sucesivos ecos de fondo.

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Ensayos con incidencia angular Se aplican en los métodos de reflexión y en los de transparencia, empleándose, fundamentalmente, ondas transversales; reservándose el uso de las longitudinales para los casos en los que la geometría de la muestra exija ángulos de propagación relativamente bajos. La incidencia angular presenta grandes ventajas. Así, por ejemplo, se aplica tanto en muestras de forma simple como compleja; se puede elegir el ángulo de propagación idóneo a la morfología, orientación y posición de una heterogeneidad; zonas de la muestra que resultan ocultas en un campo con incidencia normal, se exploran fácilmente con la incidencia angular, llegándose a aquellas zonas ocultas mediante la elección adecuada del ángulo de penetración y/o por medio de reflexiones internas del haz en otras superficies de las muestras. Si se opera con un solo palpador angular mediante el método de reflexión, la zona muerta se ensancha debido a las reflexiones secundarias en el interior del prisma, no presentándose este fenómeno cuando se opera con dos palpadores angulares separados, bien por reflexión o por transparencia, o cuando se opera por inmersión.

6.4.5.1. Aplicaciones a distintos tipos de muestras Se estudian en este apartado una serie de tipos de muestras en diferentes condiciones, tanto de fabricación como de conformado posterior. Muestras cilíndricas y prismáticas La aplicación de los ultrasonidos al estudio de muestras cilíndricas y prismáticas, considerando como tales a lingotes, desbastes y brutos de forja, barras, palanquillas, varillas y alambres, está encaminada a la detección de heterogeneidades internas, ya que otros métodos de ensayo para el estudio de los defectos superficiales pueden resultar más ventajosos. Para la detección de heterogeneidades internas se emplea la técnica de incidencia normal. Muestras soldadas Las uniones soldadas, aunque sean el resultado del ensamble de formas simples, resultan bastante complejas desde el punto de vista de las técnicas operativas requeridas para un examen por ultrasonidos, ya que


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el cordón de soldadura supone una heterogeneidad macroscópica en contraste con el material base, y las zonas de transición también presentan estructuras variadas en contraste con el resto de material. Por lo tanto, se encuentran una gran variedad de heterogeneidades, discontinuidades e impurezas debidas a este proceso. En el ensayo por ultrasonidos de uniones soldadas se emplea, preferentemente, el método de reflexión, mediante incidencia normal o angular, siendo esta última la de uso más extendido. — Uniones a tope. Las heterogeneidades que se detectan son las grietas, las inclusiones de escoria, los poros, la falta de fusión y de penetración. La incidencia angular es la más aplicada, utilizando el método de reflexión, mientras que la incidencia normal es poco aplicable, pues requiere el mecanizado de la superficie del cordón o que el borde lateral, paralelo al cordón, sea accesible. — Uniones soldadas por puntos. Las heterogeneidades se presentan en un plano paralelo a la superficie de las chapas, en forma de inclusiones de escorias y falta de plegado, resultando como técnica de operación más idónea la de incidencia normal, por contacto y mediante el método de reflexión. Muestras de formas complejas Cuando se estudian muestras de forma compleja, conviene hacer una distinción entre los problemas que se plantean entre la inspección de fabricación, de los que surgen en las revisiones de mantenimiento. En la inspección de fabricación, las heterogeneidades se deben a los distintos procesos de elaboración a los que ha sido sometido el material, su naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño dependerá no sólo de estos procesos, sino también de la forma de la muestra. En cuanto a su posición en la muestra, podrán ser internas o superficiales, pudiendo dar lugar en ambos casos a fallos en servicio, mientras que las heterogeneidades originadas en servicio, consecuencia de los esfuerzos soportados y de la acción de agentes ambientales, son grietas de fatiga o de corrosión bajo tensiones, o de corrosión-fatiga, o picaduras de corrosión o de desgaste, que se inician en la superficie de las muestras o en determinadas zonas críticas donde se producen concentración de tensiones o de determinados agentes ambientales. Desde el punto de vista del examen por ultrasonidos, las muestras con formas complejas que han sido conformadas pueden crear problemas dis-

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tintos, aunque sean de diseño similar. En las moldeadas, tanto la naturaleza del material como su estado estructural, consecuencia del método de moldeo, así como las características propias de las heterogeneidades originadas en este proceso, hacen más difícil su examen que el de las muestras prensadas, estampadas o forjadas, cuya estructura es más compacta, su grano más fino, y las heterogeneidades presentes adoptan, preferentemente, una morfología laminar. Existe un buen número de circunstancias que limitan la aplicación de ultrasonidos a las muestras de forma compleja que han sido moldeadas, entre las que destacan: — La complejidad de la superficie hace difícil el acoplamiento. — La superficie en el estado de moldeo crea problemas de transmisión de los ultrasonidos y no siempre es económicamente posible mecanizar. — La estructura basta da lugar a fuertes atenuaciones en los materiales anisótropos. — El costo del ensayo puede ser demasiado elevado comparado con los costes de fabricación. La detección de heterogeneidades superficiales se realiza por otros métodos más adecuados, como pueden ser: corrientes inducidas, líquidos penetrantes o partículas magnéticas.

6.4.6. Interpretación de las indicaciones Una vez producida la indicación, después de aplicar la técnica de operación más adecuada para cada caso, es necesario efectuar su interpretación, que consiste en encontrar la correlación entre la indicación observada y la propia naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de la heterogeneidad. En los ensayos en los que se emplea el método de reflexión, el más utilizado en la detección de heterogeneidades, hay que resaltar la dificultad que supone lograr una interpretación adecuada de las indicaciones. La única información de la que se dispone para su interpretación es la indicación de su eco en la pantalla, que se debe analizar cuidadosamente en todos sus parámetros, entre los que se pueden destacar los siguientes: — Distancia de la indicación al origen de la pantalla. — Altura de la indicación.


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— Forma de la indicación. — Cambio que experimenta al mover el palpador o la muestra. — Variación que experimenta con la modificación de la frecuencia de ensayo. Los resultados de estos análisis deberán indicar, tanto la naturaleza como la morfología, orientación, posición y tamaño de las heterogeneidades que dieron lugar al eco. Por tanto, de una imagen abstracta se deben obtener las conclusiones pertinentes, encontrándose la forma de que estas sean lo más correctas posibles en la experiencia de los técnicos que realizan los ensayos. En definitiva, las posibilidades de detección de heterogeneidades por ultrasonidos, dependen de sus propias características, de las del material que las contienen y de los parámetros del ensayo. Características de la heterogeneidad Las heterogeneidades se encuentran definidas por su naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño. — La naturaleza influye sobre la impedancia acústica de la heterogeneidad y por lo tanto en la velocidad característica que la onda pueda tener al alcanzarla; interesando, sobre todo, su relación con la impedancia acústica del medio que la rodea. Si ambas impedancias son similares, la reflexión en la superficie límite será débil, lo que dará lugar a una menor altura de la indicación del eco o a su no aparición. — La forma influye sobre la cantidad de energía reflejada y, por tanto, sobre la altura y forma de la indicación. Por ejemplo, una heterogeneidad de tipo esférico y de superficie rugosa, puede pasar desapercibida a una cierta frecuencia, como consecuencia de la dispersión de energía que provoca. — La orientación debe permitir alguna reflexión del haz en la dirección adecuada, siendo óptima cuando el plano principal de la heterogeneidad es perpendicular al eje del haz de ultrasonidos. Así, una plana con orientación paralela al haz no da lugar a eco. — Si la posición da lugar a distancias considerables, el eco se confunde con el ruido de fondo y puede pasar desapercibido. — El tamaño debe ser igual o mayor que la mitad de la longitud de onda del haz ultrasónico.

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Características del material Las que más afectan al ensayo son su impedancia acústica, su coeficiente de atenuación y el estado superficial de la muestra. — La impedancia acústica del material influye, sobre todo, en su relación con la impedancia acústica de la heterogeneidad. — El coeficiente de atenuación influye de forma importante, ya que los fenómenos de absorción y dispersión de la energía en el material limitan, por un lado, la distancia que puede alcanzar para un nivel determinado de sensibilidad y, por otro, producen ruido de fondo que puede enmascarar las indicaciones de los ecos de las pequeñas heterogeneidades. — El estado superficial de la muestra es deseable que sea lo más liso posible, con el propósito de que las pérdidas de energía en la transmisión sean mínimas. Así, si la superficie posee una rugosidad del orden de media longitud de onda, la penetración de las ondas en el material puede no tener lugar, por lo que debe amolarse o desbastarse para alcanzar la sensibilidad que el ensayo requiere. Parámetros de ensayo La frecuencia y las características de los palpadores ejercen una cierta influencia sobre la longitud del campo próximo, divergencia del haz, penetración, sensibilidad y poder de resolución. La frecuencia influye de forma decisiva en la detección de heterogeneidades pequeñas, debido a su relación con la longitud de onda. Además, si para alcanzar niveles altos de poder de resolución se utilizan frecuencias elevadas, se corre el riesgo de que al aumentar excesivamente el coeficiente de atenuación se pierda tanto poder de penetración que el ensayo resulte inútil. Los palpadores deben disponer de gran diámetro para muestras de gran tamaño y de unos 10 mm de diámetro y de elevada frecuencia, para aquellos ensayos que deben alcanzar hasta 100 mm de distancia. Su poder de resolución está muy relacionado con el tipo de cristal piezoeléctrico y por ciertas características constructivas, entre la que destaca la amortiguación de la vibración del cristal una vez concluido el impulso eléctrico. De la indicación del eco que produce la heterogeneidad y que se observa en la pantalla se deducen las distintas características de la heterogeneidad: su morfología, si son planas, o cilíndricas, o esféricas, rugosas


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o irregulares; su orientación con respecto al haz de ultrasonidos, si es perpendicular o si es oblicua; su posición y tamaño; y su naturaleza, si son grietas o escoria o poros o cavidades. — Morfología. Con respecto a la morfología se puede decir que la utilización de palpadores angulares facilita alcanzar la heterogeneidad desde diversos ángulos, lo que permite mayor precisión en la determinación de su morfología. — Orientación. Para determinar la orientación, respecto al haz de ultrasonidos o a la superficie de exploración, será necesario examinar la muestra desde tres ángulos distintos; el eco será máximo cuando el haz de ultrasonidos sea perpendicular al plano principal de la heterogeneidad. — Posición. Para conocer la posición de una heterogeneidad es preciso realizar una calibración previa de la base de tiempo del equipo, con ello se podrá realizar una lectura rápida de la distancia recorrida por el impulso del eco. — Tamaño. El tamaño se clasifica en muy grandes y en normales, según sean mayores o menores que la sección transversal del haz ultrasónico. — Naturaleza. Debido a su naturaleza, las heterogeneidades se pueden presentar como discontinuidades, o sea un vacío en el material, tal es el caso de las grietas, rechupes, cavidades y poros; o como impurezas, lo que supone la presencia de cuerpos extraños en el material, como son escorias, inclusiones o segregaciones. Las impedancias acústicas de todas ellas son distintas, lo que no minimiza su diferenciación. Concluye este apartado con una simple guía para lograr una mejor interpretación en este tipo de ensayos: — Determinar con la mayor exactitud posible la posición de la heterogeneidad. — Si la heterogeneidad es mayor que la sección del haz ultrasónico, se debe mover el palpador y con ello determinar la proyección de su contorno sobre la superficie de la pieza. — Si la heterogeneidad está inclinada, se debe ensayar con varios ángulos de incidencia hasta que la indicación obtenida sea máxima, lo que indicará que se irradia perpendicularmente. — Si la altura de la indicación permanece relativamente constante al variar el ángulo de incidencia, la heterogeneidad puede ser muy

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pequeña, rugosa o esférica; mientras que si decrece muy rápidamente, puede ser relativamente grande y plana; si aumenta al ensayar a frecuencias más bajas, la heterogeneidad es rugosa y si, por el contrario, disminuye al utilizar frecuencias más bajas, la heterogeneidad está formada por pequeños reflectores discretos.

6.5.

ENSAYOS MEDIANTE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

6.5.1. Introducción W. E. Hoke descubrió el principio que permite el empleo de los campos magnéticos y de las partículas ferromagnéticas en la detección de grietas en materiales magnéticos, al observar que las partículas metálicas finas que se producían durante el rectificado de piezas de acero, en algunos casos, se acumulaban formando una especie de red que dibujaban las grietas producidas durante el rectificado. Así mismo, observó que este fenómeno sólo se producía cuando, para sujetar las piezas, se utilizaban platos magnéticos. Por lo tanto, se establecía una relación entre el campo magnético, las partículas ferromagnéticas y la detección de grietas. En 1829, A. V. De Forest estableció las bases del método e introdujo la innovación de magnetizar mediante el paso de corriente eléctrica, lo que significó un rápido desarrollo del método de partículas magnéticas tal y como se conoce hoy. La idea de De Forest de hacer pasar corrientes de elevada intensidad a través de las piezas es de aplicación universal y actual, propugnando la utilización de polvos magnéticos de tamaño, forma y propiedades perfectamente controladas, con el fin de poder garantizar la producción y seguridad de los resultados. Se puede decir que este es un método que permite la detección de grietas, incluso finas y de poca profundidad en materiales ferromagnéticos, tanto en las fases de fabricación y montaje como durante el mantenimiento, incidiendo ligeramente en el coste final del producto, aunque también es posible aplicarlo, con limitaciones, para la detección de discontinuidades e inclusiones no metálicas próximas a la superficie. Este ensayo se basa en que en todos los imanes, las líneas de fuerza fluyen desde un polo a otro, siendo el flujo magnético la fuerza que atrae a otros materiales magnetizables hacia los polos magnéticos, encontrándose representado en la figura 6.9. Si se tiene un imán de herradura, el flujo magnético o líneas de fuerza entrarán o saldrán del imán por los polos, tal y como se representa en el esquema de la figura 6.9a. Por lo tanto,

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este imán atraerá otros materiales magnetizables, únicamente donde las líneas de fuerza salgan o entren al imán. Si se cierra el imán hasta alcanzar casi un círculo, tal y como se esquematiza en la figura 6.9b, se seguirá comportando como el de herradura. Si el imán es completamente cerrado, el flujo magnético está contenido en su totalidad dentro del círculo, ya que no existen polos, por lo que este imán no atraerá a otros materiales ferromagnéticos, encontrándose el correspondiente esquema en la figura 6.9c. Pero si este imán tuviera una grieta en su superficie exterior, se interrumpiría el flujo uni-

a

b

c

d FIGURA 6.9

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e FIGURA 6.9

forme de las líneas de fuerza, teniendo que salir algunas de ellas, dando lugar a la creación de un campo magnético con sus correspondientes polos. Las líneas de fuerza que se ven forzadas a salir del imán, como resultado de la presencia de la grieta, se conocen con el nombre de fugas de flujo. En la figura 6.9d, se representa el imán con la grieta superficial. De esta forma, si se depositaran partículas magnéticas sobre el imán, serían atraídas por los polos creados por las grietas, dando lugar a la formación de un grupo de partículas en esa zona, lo que constituye una indicación. Si se endereza el imán de herradura hasta convertirle en un imán de barra, tal y como se presenta en la figura 6.9e, los dos tienen las mismas características ya que las líneas de fuerza fluyen del polo sur al norte y las partículas magnéticas son atraídas hacia los polos, solo donde las líneas de fuerza salen o entran en el imán. Si la irregularidad superficial que presenta el imán es una superficie ondulada, tal y como se representa en la figura 6.10a, las líneas de fuerza permanecen dentro del imán y por tanto no se forman polos magnéticos y no tendrá lugar la formación de fugas de flujo. Sin embargo, si el imán tuviera una grieta en las proximidades de la superficie, las líneas de fuerza pasarían por encima y por debajo de ella, viéndose forzadas alguna de ellas a salir a la superficie, dando lugar a la formación de fugas de flujo y en consecuencia, a originar la correspondiente indicación. Ambas situaciones aparecen de forma esquemática en las figuras 6.10b y c. Este tipo de ensayo se basa en el establecimiento de un campo magnético en el material ensayado, por lo que sólo se podrá aplicar a los materiales que puedan ser fuertemente magnetizados, siendo los más afectados por el magnetismo los denominados ferromagnéticos ya que son atraídos por la presencia del campo magnético; los no magnéticos como son el aluminio, latón, cobre, magnesio, bronce, plomo, titanio y algunos aceros inoxidables, no pueden ser magnetizados de modo que solamente son permeables en pequeñas cantidades. Se debe recordar que la permeabilidad de un material se define como la facilidad con la que puede ser

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FIGURA 6.10

magnetizado, representando la relación entre la inducción en la pieza y el campo magnético que la produce. El ensayo por partículas magnéticas se puede dividir en cuatro etapas: la primera corresponde a la magnetización de la pieza; la segunda a la aplicación de las partículas magnéticas sobre la pieza, la tercera a la observación y registro de la presencia de indicaciones y la cuarta a la desmagnetización, si es necesaria. Entre los factores que afectan a la formación de las indicaciones destacan los siguientes: — Dirección e intensidad del campo magnético. — Forma y tamaño de la discontinuidad y orientación de la misma con respecto al campo magnético. — Características de las partículas magnéticas y modo de aplicación. — Características magnéticas de la pieza a ensayar.

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— Forma y dimensiones de la pieza, ya que afectan a la distribución del campo magnético. — Estado de la superficie de la pieza, ya que afecta a la movilidad de las partículas y a la nitidez de las indicaciones.

6.5.2. Técnicas de magnetización Para generar campos magnéticos que presenten las direcciones y sentidos adecuados con el fin de realizar ensayos mediante partículas magnéticas se dispone de tres sistemas: por imanes permanentes, por electroimanes y por corrientes eléctricas aplicadas directamente. Imanes permanentes Cuando un material ferromagnético se sitúa entre los polos de un imán permanente, las líneas de fuerza del campo que cierran el circuito a través del aire pasan en su prácticamente totalidad a través de la pieza, que dado su carácter, presenta una resistencia al paso del flujo magnético, denominada reluctancia, mucho menor que el aire. Consecuentemente, se tiene una pieza magnetizada longitudinalmente, por lo que cualquier discontinuidad superficial que corte a las líneas de fuerza, da lugar, si la magnetización presenta la suficiente intensidad, a un campo de fuga que puede ser perfectamente revelado mediante partículas magnéticas extendidas sobre la pieza ensayada. Electroimanes Además de los imanes permanentes, cuya intensidad de campo suele ser baja y además constante, se utilizan también electroimanes que permiten obtener campos más potentes y regulables. Son equipos en forma de U, con una bobina para suministrar la corriente de magnetización que se carga, colocándose la pieza entre los polos del electroimán, estableciéndose un campo magnético longitudinal sobre ella. Los electroimanes son equipos manuales de diseño especial que se emplean en la detección de discontinuidades en la superficie de materiales magnéticos, siendo los más indicados para la inspección de piezas con buen acabado superficial y en las que se debe evitar la formación de arcos eléctricos que produzcan quemaduras. Pueden estar provistos de un mando de regulación electrónica continua, lo que les hace ser particu-


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larmente útiles para la desmagnetización de piezas que por su dimensión o por su complejidad geométrica no se pueda aplicar otro método. Magnetización por corriente eléctrica Entre las distintas técnicas de magnetización por corriente eléctrica se encuentran las de electrodos, la longitudinal, la circular y la multidireccional. En la técnica de electrodos las puntas son conductores de corriente, normalmente barras de cobre, que se utilizan para magnetizar áreas localizadas. Cuando la corriente eléctrica pasa a través de las puntas, se crea en la pieza ensayada un campo circular, entrando la corriente eléctrica por una de ellas y saliendo por la otra, siendo la dirección de las líneas de flujo, alrededor de la punta de salida, la contraria a la de las manecillas del reloj, oscilando la separación de los electrodos entre los 75 y 200 mm, debiendo estar sus puntas limpias y desengrasadas, al igual que las superficies de contacto de las piezas a ensayar. La magnetización longitudinal se basa en el principio de que la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor forma un campo magnético a través de él. Cuando se fabrica una bobina conductora, las líneas de flujo alrededor de cada vuelta del embobinado se combinan con aquellas de las otras vueltas del mismo, lo que incrementa la densidad de flujo en la dirección longitudinal. Las líneas de flujo magnético giran a través de la longitud de la barra, de sur a norte, por lo tanto cualquier defecto que forme un ángulo comprendido entre 45 y 90° con respecto a las líneas de flujo, provocará fugas de flujo que son las que atraen a las partículas magnéticas, siendo el imán de barras un buen ejemplo de un campo magnético longitudinal. En la magnetización circular se establece un campo magnético al circular una corriente eléctrica a través de cualquier material conductor de electricidad, formando siempre las líneas de fuerza magnéticas ángulos rectos con respecto a la dirección del flujo de la corriente eléctrica, rotando en sentido contrario a las manecillas del reloj. Si una pieza de material ferromagnético tuviese un grieta en la superficie, a 90°, con respecto a la dirección de las líneas de fuerza, las partículas magnéticas serían atraídas hacia el defecto. La magnetización circular permite detectar grietas entre 45 y 90° con respecto a las líneas de fuerza, no detectándose aquellas grietas que se presentan paralelas a las líneas de fuerza, aunque el área de la grieta corte las líneas de fuerza, pues no causan fugas de flujo. En la practica, la magnetización circular se realiza, bien

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de forma directa, o mediante un conductor central o por una corriente inducida. La magnetización multidireccional se efectúa mediante corrientes de elevada intensidad que operan con circuitos que se activan uno a uno de forma sucesiva. El efecto de esa rápida secuencia alternativa de la corriente produce una magnetización total de la pieza en múltiples direcciones, aplicándose sobre grandes piezas de fundición, forjadas y recipientes a presión, en las que se reduce el tiempo de inspección de forma muy considerable. Lo primero que se debe de hacer al ensayar mediante partículas magnéticas es crear en la pieza la inducción magnética suficiente como para poder identificar las grietas que en ella se encuentren, recordando que la permeabilidad magnética, relacionada directamente con la inducción, es una característica intrínseca del material que disminuye con la cantidad de impurezas que presentan, así como con el contenido de carbono y con el contenido de elementos de aleación no ferromagnéticos.

6.5.3. Aplicación de las partículas magnéticas Una vez magnetizada la pieza se debe aplicar sobre ella el «revelador» que permita detectar los campos de fuga originados en las discontinuidades al ser aplicadas las partículas magnéticas, cuyas propiedades varían dentro de una amplia gama según el problema que se pretenda resolver, ya que existen importantes variaciones en tamaño, forma, densidad, movilidad y color, si bien, en todos los casos se trata de partículas ferromagnéticas, cuyas propiedades es necesario conocer, puesto que de su uniformidad dependerá que los ensayos se puedan reproducir con independencia del operador. El aspecto y forma de las indicaciones que aparecen en la superficie de la pieza es la única fuente de información de que dispone el operador para emitir un juicio sobre la naturaleza y el origen de dicha indicación que está ligada al tipo de partículas utilizadas, clasificándose según el modo de aplicación, en vía húmeda y vía seca, según se utilicen o no vehículos de sustentación de las partículas. — Influencia del tamaño. El tamaño de las partículas tiene gran importancia en la obtención de indicaciones, controlando su selección mediante dos parámetros: fuerza de atracción y capacidad de adherencia. La fuerza de atracción requerida para su fijación es mayor cuando las partículas son grandes que cuando son pequeñas, de lo que se deduce que el tamaño de la partícula es inverso a


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la sensibilidad. Así, si son muy gruesas serán necesarias fuerzas relativamente grandes para moverlas y por tanto, sólo los campos de fuga de gran intensidad podrán atraerlas y retenerlas, lo que significa que las pequeñas discontinuidades no darán ninguna indicación. Si son demasiado finas, pueden adherirse a la superficie aunque no haya discontinuidades lo que puede dar lugar a errores en la interpretación. La capacidad de adherencia de las partículas a la superficie de las piezas, con independencia del campo magnético aplicado, presentan un efecto muy acusado cuando su tamaño es pequeño, ya que son causa de indicaciones falsas. Si se trata de ensayar por vía seca, la sensibilidad para pequeñas discontinuidades aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas, aunque si las partículas son extremadamente pequeñas pueden revelar zonas en las que no existan campos de fuga lo que da lugar a problemas de interpretación. En la práctica, las partículas que se aplican en forma de polvo seco son mezclas de diversos tamaños en proporciones cuidadosamente elegidas, de forma que, mientras las más pequeñas proporcionan sensibilidad al método, las más grandes no sólo ayudan a localizar discontinuidades grandes, sino que por su efecto de arrastre contrarrestan en gran parte la tendencia que presentan las finas a producir falsas indicaciones. En el caso de ensayar por vía húmeda, las partículas magnéticas se aplican en suspensión en un medio líquido, lo que permite utilizar tamaños mucho más finos, oscilando su límite superior entre las 40 y 60 micras, no existiendo límite inferior para su tamaño. — Efecto de la forma. Como las partículas tienden a alinearse en la dirección de las líneas de fuerza de los campos de fuga que por lo general son muy débiles, será necesario que las partículas opongan la menor resistencia posible a su alineación. Las partículas alargadas presentan la mayor efectividad para detectar discontinuidades superficiales muy pequeñas, ya que aumentan la sensibilidad del método para pequeños campos de fuga, puesto que las partículas forman dipolos magnéticos que aumentan la fuerza de orientación. Si se aplican partículas magnéticas por vía húmeda no es necesario efectuar mezclas de partículas de diferentes formas ya que no se presentan problemas de flujo en la suspensión. — Influencia de la permeabilidad magnética. En teoría la permeabilidad de las partículas magnéticas, facilidad con la que pueden ser magnetizadas, debe ser lo más alta posible, ya que así capturarán más líneas de fuerza en los campos de fuga y se orientarán más fácilmente, proporcionando indicaciones más claras y formándose más rápidamente.

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— Influencia de la retentividad y de la fuerza coercitiva. La retentividad que es la capacidad del material para retener magnetismo residual, debe ser lo más baja posible, del mismo modo que la fuerza coercitiva, que es la fuerza de magnetización inversa que se requiere para eliminar el magnetismo residual en cualquier material. En el caso del método húmedo se utilizan partículas de una cierta retentividad con el fin de facilitar su aglomeración, ya que en caso contrario, dado su pequeño tamaño se moverán con mucha lentitud en el medio líquido y por lo tanto las indicaciones tardarían mucho tiempo en formarse. — Efecto de la movilidad. La movilidad de las partículas influye decisivamente en la formación de indicaciones, de modo que cuanto mayor sea, más rápidamente se formarán y serán más nítidas. En el método seco se facilitan los desplazamientos de las partículas haciendo vibrar la pieza a ensayar, mientras que, en el método húmedo la movilidad es bastante más compleja, ya que por un lado interesa que las partículas tengan la menor tendencia posible a sedimentar, lo que implica o reducir el tamaño de las mismas, o disminuir su densidad o aumentar la viscosidad del medio líquido y por el otro, las partículas magnéticas tienen una elevada densidad que puede ser reducida recubriéndolas con pigmentos o con sustancias más ligeras, lo que hace que las características magnéticas disminuyan en proporciones similares. — Efecto de la visibilidad y del contraste. Son dos propiedades importantes en el examen por partículas magnéticas, ya que de nada sirve que se formen indicaciones rápidas y nítidas si después cuesta trabajo verlas debido a que su color no se diferencia del de la superficie del metal. Existen partículas magnéticas fluorescentes cuyas indicaciones observadas bajo luz negra en cámara oscura proporcionan un contraste y una visibilidad óptimas, aunque magnéticamente las partículas fluorescentes presentan menor sensibilidad, que se ve compensada ampliamente porque son suficientes unas pocas partículas situadas sobre la discontinuidad para que esta se visualice perfectamente. — Efecto del tipo de aplicación. El método seco proporciona mejores resultados cuando las discontinuidades se encuentran en las proximidades de la superficie, debido a la alta permeabilidad y a la forma alargada de las partículas. Sin embargo, cuando se trata de discontinuidades superficiales muy finas, la superioridad del método húmedo es incuestionable, cualquiera que sea el tipo de corriente utilizado. Por vía seca se encuentra que la movilidad de las


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partículas es buena, que es más cómodo y más limpio que el método húmedo y que sobre todo es fácil de utilizar en piezas grandes y con equipos portátiles a pie de obra, encontrándose entre sus limitaciones la dificultad de aplicarlas en piezas de geometría irregular, su dificultad de automatizar el proceso y la mayor lentitud frente al método húmedo. — Influencia del método de examen. Se dan dos tipos, el continuo y el residual, siendo el continuo el más utilizado para la mayor parte de las aplicaciones, debido a su mayor sensibilidad. El residual se aplica después de que la fuerza de magnetización ha sido desconectada, por tanto solamente puede ser aplicado a los materiales que, debido a su alta retentividad, conserven un campo residual suficiente, limitando su utilización práctica a aplicaciones complementarias para la confirmación de indicaciones.

6.5.4. Interpretación y registro de las indicaciones Las indicaciones de partículas magnéticas presentan sus bordes con una definición muy nítida cuando proceden de discontinuidades, tales como grietas superficiales cuyo plano es perpendicular a las líneas de fuerza del campo magnético, determinándose con dificultad por este método las heterogeneidades de morfología esférica, tales como cavidades o poros, ya que las indicaciones que se obtienen se encuentran escasamente definidas. El aspecto de las indicaciones correspondientes a distintos tipos de defectos son las siguientes: — Grietas de contracción: presentan un aspecto de líneas quebradas con distintos tipos de ramificaciones. — Pliegues de forja: aparecen como líneas rectas o ligeramente curvadas o sinuosas. — Grietas de temple: presentan indicaciones muy definidas debido a la gran profundidad de dichas grietas, apareciendo como líneas rectas, quebradas o curvas. — Grietas de rectificado: aparecen en forma de retículo de líneas muy finas con sus bordes muy definidos. — Grietas de dilatación: son generalmente profundas por lo que sus indicaciones son muy marcadas, presentando formas rectilíneas, curvadas o quebradas.

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— Grietas de fatiga: que se producen en servicio, generándose preferentemente en los acuerdos o en los cambios de sección, presentando sus indicaciones bordes muy definidos o marcados, siendo rectilíneas en su primer plano, desviándose de esa dirección en función de la geometría y del estado de solicitación de la muestra. — Grietas de corrosión bajo tensiones: tienen lugar cuando coinciden un estado de tensiones internas con la acción corrosiva de agentes ambientales, dando lugar a indicaciones rectas o quebradas con tendencia a presentar pequeñas ramificaciones paralelas en forma de estratos. Para el registro de las ramificaciones obtenidas por partículas magnéticas se puede recurrir a la fotografía directa, pero si se quieren emplear métodos más económicos se puede recubrir la pieza con una laca transparente que proteja la indicación o se puede pasar la indicación, una vez seca, a un papel adhesivo trasparente o de color claro.

6.5.5. Desmagnetización Todos los sistemas de desmagnetización someten a la pieza a un campo magnético alterno, cuya intensidad va gradualmente decreciendo hasta anularse. Así todos los materiales ferromagnéticos sometidos a un campo magnético conservan, después de cesar la acción del campo, un cierto magnetismo, llamado residual y cuya intensidad depende de la retentividad del material. No siempre es necesario desmagnetizar las piezas después de una inspección, ya que el proceso es costoso, aunque en muchos caso este proceso es esencial tal y como se describe a continuación. La desmagnetización es necesaria cuando el campo residual: — Pueda interferir con posteriores operaciones de mecanizado, dando lugar a que la viruta se adhiera a la pieza o cuchilla, con lo que resultará afectado el acabado de aquella o la vida de esta. — Pueda interferir con procesos de soldadura con arco, ya que si el campo es intenso producirá desviaciones del arco. — Pueda interferir de alguna forma en el funcionamiento de equipos o aparatos incorporados en la estructura donde se encuentre instalada la pieza. — Pueda causar daños en partes móviles, por captura de partículas de metal o incluso magnéticas. Este es el caso de las bolas o rodillos de rodamientos o dientes de engranajes.


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La desmagnetización no es necesaria cuando: — Las piezas son de un material de baja retentitividad. — La pieza forma parte de una estructura soldada o vasija o caldera, ya que en estos casos, aunque el material represente alta retentividad no es probable que el campo residual afecte al funcionamiento del conjunto. — La pieza vaya a ser magnetizada en procesos posteriores como por ejemplo, cuando se sujete a un plato magnético.

6.6. ENSAYOS POR LÍQUIDOS PENETRANTES El método de ensayos no destructivos por líquidos penetrantes sirve para detectar discontinuidades que afloran a la superficie en sólidos no porosos, puesto que al aplicar el líquido sobre la superficie de la muestra, penetra en las discontinuidades por capilaridad. Una vez que se elimina el exceso de líquido de la superficie de la muestra, el líquido contenido en las discontinuidades sale al exterior con la ayuda del revelador, pudiendo observarse en su superficie. En comparación con otros métodos de ensayos no destructivos, la aplicación de este ensayo es menos compleja y no requiere el empleo de equipos sofisticados, permitiendo detectar con absoluta claridad aquellos defectos que se abren a la superficie. Las etapas básicas del ensayo son la limpieza y preparación de la superficie de la muestra, la aplicación del penetrante, la eliminación del exceso de líquido, el revelado y la observación. Para desarrollar la etapa de limpieza y preparación de la superficie de la muestra, la superficie de la muestra debe encontrarse limpia y seca para que las discontinuidades se encuentren libres de cualquier contaminante. La segunda etapa se caracteriza por la penetración del líquido, por lo que se aplica el penetrante sobre la superficie de la muestra, de modo que penetre completamente en las discontinuidades, bien sea por inmersión o por extensión. En la etapa en la que se elimina el exceso de líquido se alcanza el suficiente contraste entre la superficie limpia y las discontinuidades, lográndose mediante la aplicación sobre la muestra de agua o algún disolvente especial.

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En la etapa del revelado, el revelador actúa como extractor del penetrante, acelerando su tendencia natural a salir de las discontinuidades y a extenderse ligeramente alrededor del borde de las mismas. Es un polvo muy fino que se aplica directamente en seco o por vía húmeda como suspensión en un líquido volátil. La última etapa corresponde a las observaciones finales, por lo que después de pasar el tiempo de operación del revelador se procede a examinar la muestra, que se hace bajo luz natural si se trata de penetrantes coloreados o bajo luz negra, si estos son fluorescentes.

6.6.1. Objeto del ensayo y su campo de aplicación El objeto de este ensayo es la detección de discontinuidades abiertas en la superficie de las piezas, mediante la introducción de un líquido penetrante en las mismas. Los factores que influyen en la introducción del líquido penetrante en las piezas son los siguientes: — La existencia de obstrucciones mecánicas de cualquier tipo. — Los recubrimientos y contaminantes superficiales. — La configuración geométrica de la discontinuidad. — La tensión superficial del líquido penetrante. — Los aditivos del propio líquido. — La temperatura de los distintos componentes del ensayo. — La rugosidad del interior de la discontinuidad. Este tipo de ensayo se aplica, fundamentalmente, a los materiales metálicos, no ferromagnéticos, tales como el Al y sus aleaciones, los aceros inoxidables, cobres, bronces, latones, etc. y a los materiales no metálicos, tales como, plásticos, vidrios y cerámicas plastificadas.

6.6.2. Productos utilizados Penetrantes Dado que el líquido debe conseguir un máximo poder de llenado del defecto, las propiedades más importantes que deben reunir los líquidos penetrantes son las siguientes: — Capacidad de penetrar fácilmente en las discontinuidades más finas.


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— Mínima tensión superficial. — Velocidad de evaporación o secado adecuada. — Facilidad de limpieza de la superficie donde se han aplicado. — Ser lo suficientemente fluido como para dar respuesta rápida al revelador. — Conservar el color o la fluorescencia durante el tiempo necesario. — Ser químicamente inerte con respecto a la muestra. — No ser inflamable. — Ser estable en las condiciones de aplicación o de almacenamiento. — Toxicidad nula. — Ser económico. Todas estas características juntas son difíciles de encontrar en un líquido, por ello los que se utilizan son combinaciones de diversas composiciones con las que se trata de acercar al líquido ideal. Los líquidos penetrantes se agrupan en función de la fuente de luz que se precisa para la observación de las indicaciones que proporciona el ensayo. Así, pueden ser coloreados que se observan con luz visible blanca; fluorescentes, observables con luz negra o ultravioleta, además de la combinación de ambos tipos. En cada uno de estos grupos se pueden encontrar tres casos posibles de empleo en función de la forma de eliminar de la superficie el exceso de líquido penetrante, estos son: — Los que son lavables con agua. — Los que necesitan la adición posterior de emulsionantes para que se puedan lavar con agua. — Los que se eliminan a base de disolventes. Los coloreados contienen pigmentos disueltos que los hacen visibles con luz natural o con luz artificial blanca, siendo el color rojo el más utilizado por el contraste que presenta frente al blanco del revelador, mientras que los fluorescentes tienen pigmentos fluorescentes en suspensión que son sensibles a la luz negra que les hace fluorescer, siendo estos bastante más sensibles que los coloreados. El tiempo de duración del ensayo será función de las características del penetrante, en especial de su viscosidad. El eliminador de los excesos de penetrante utilizados durante el ensayo, fundamentalmente agua y diferentes tipos de emulsiones, es característico de cada tipo de penetrante.

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Reveladores Los reveladores son los agentes que ponen de manifiesto los puntos, lugares o zonas donde se ha producido una retención de líquido penetrante, ya que actúan como papel secante que extrae el líquido de la discontinuidad y reduce el tiempo necesario para que la indicación pueda ser observada. Deben reunir una serie de características, tales como: gran capacidad de absorción del penetrante; buena definición del contorno de las indicaciones; fácil de aplicar y que la capa resultante tenga un espesor uniforme; fácil de eliminar y no ser corrosivos. Los tipos de reveladores se pueden agrupar en los siguientes grupos: de polvo seco, acuosos, húmedos no acuosos y de película líquida. — Los de polvo seco fueron los primeros en utilizarse, siendo de yeso o de talco; hoy en día el más utilizado es la sílice amorfa que es ligera, esponjosa y capaz de adherirse con facilidad a las superficies metálicas, formando sobre ellas una capa tan fina como homogénea. — Los acuosos son el resultado de preparar concentrados de partículas de polvo seco, bien en suspensión acuosa o en disolución, siendo su ventaja la fácilidad de aplicación, pero por el contrario hay que prestar mucha atención al mantenimiento de la suspensión. — Los húmedos no acuosos son suspensiones de polvo en disolventes, normalmente orgánicos volátiles envasados en aerosoles para facilitar su empleo. — Los de película líquida son soluciones o suspensiones de resinas en un medio adecuado que se aplican por pulverización, dando lugar a recubrimientos translúcidos sobre la superficie de las muestras, permitiendo levantar la capa de la superficie para poder guardar y registrar las indicaciones resultantes del ensayo.

6.6.3. Técnicas de inspección El proceso de ensayos mediante líquidos penetrantes se divide en diferentes etapas: — Preparación de la superficie mediante la correspondiente limpieza. — Aplicación del líquido penetrante durante un cierto tiempo. — Eliminación del exceso de penetrante de la superficie de ensayo.


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— Aplicación del revelador. — Interpretación y evaluación de las indicaciones. — Limpieza final de la pieza. El ensayo se puede realizar bien de forma manual, con equipo portátil o en instalaciones fijas; o bien en instalaciones automatizadas. La norma ASTM E 165-95 describe los procedimientos a seguir en este tipo de ensayo. En general, los procedimientos indican temperaturas de trabajo entre 10 y 52°C para penetrantes visibles y de 10 a 38°C para fluorescentes. Utilización de disolventes para limpieza de grasas o pinturas, que no excedan del 1% en peso sus contenidos en azufre, fluoruros y cloruros, no debiendo superar la temperatura de secado los 50°C, mientras que los tiempos de penetración del líquido mínimo para coladas y soldaduras serán de 5 minutos y de 10 para materiales de forja. El exceso de penetrante se elimina por rociado de agua a temperatura constante que oscile entre los 10 y 38°C, a una presión que no supere los 280 MPa, no excediendo el tiempo de limpieza de los 2 minutos. Las inspecciones se realizarán pasados los 10 minutos de la aplicación del revelador y a los 20 la segunda, mediante luz natural o lámpara eléctrica para los líquidos visibles y luz negra para los fluorescentes. Por último, la evaluación de las indicaciones se efectuará conforme a los criterios de aceptación aplicables en función del componente y de la normativa considerada.

6.6.4. Indicaciones Son el resultado que se obtiene del ensayo y que hay que interpretar para conocer cual es la causa que la originó, siendo las formas más corrientes de las indicaciones en este tipo de ensayo las siguientes: — Indicaciones lineales continuas, abiertas o cerradas. Son producto de la existencia de grietas, dando lugar a líneas endentadas, rugosas o con ramificaciones; de cierres por enfriamiento, en las que las líneas son rectas, suaves y estrechas; o de solapes de forjado que dan lugar a líneas sinuosas y suaves. — Indicadores lineales intermitentes. Se deben a las mismas discontinuidades que proporcionan líneas continuas y son consecuencia de que se cierran algunas zonas de las discontinuidades cuando las piezas se someten a procesos de rectificado, forjado o mecanizado. — Indicaciones redondeadas. Se deben a porosidades, consecuencia de oclusiones gaseosas. Si son aisladas indican defectos profundos

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con independencia de su forma, mientras que una redondeada se considera lineal si la longitud de la indicación es superior a tres veces su anchura. — Indicaciones puntiformes, agrupadas o dispersas. Proceden de discontinuidades originadas por burbujas ocluidas, o por la naturaleza porosa de la pieza o por microrechupes en aleaciones fundidas. Este tipo es difícil de interpretar y si son débiles y cubren una amplia zona se pueden considerar sospechosas y lo mejor es volver a ensayar. Cuando se efectúan las inspecciones y a la vista de las indicaciones que se producen se plantean una serie de interrogantes: — ¿Qué tipos de discontinuidades han dado lugar a esas indicaciones? — ¿Cuál es su tamaño? — ¿Qué efecto tendrán en el comportamiento de la pieza? De la correcta contestación a estas tres cuestiones depende la aceptación o el rechazo de la pieza, que es el objetivo de la inspección. Por la propia naturaleza de estos ensayos, no puede extraerse una información rigurosamente cuantitativa acerca del tipo y tamaño de las discontinuidades; pero de los resultados y de la experiencia del operador se puede resolver de modo satisfactorio el problema de la interpretación. Como en todos los ensayos no destructivos hay que prestar especial atención a la generación de indicaciones falsas que son producto, en este tipo de ensayo, del lavado defectuoso de las piezas, o de la manipulación poco cuidadosa, o de problemas derivados de la geometría o de la construcción de la pieza ensayada.

6.6.5. Ventajas y limitaciones del ensayo por líquidos penetrantes Ventajas Entre las ventajas del método de ensayos no destructivos, mediante la aplicación de líquidos penetrantes, frente al resto de ensayos no destructivos se pueden destacar las siguientes: — Permite ensayar toda la superficie de la pieza, sin importar ni forma ni tamaño. — No requiere emplear equipos complejos ni caros.


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— El ensayo se puede realizar de forma manual o automatizada, en obra o en taller. — No es necesario disponer de electricidad o de agua para efectuar los ensayos. — Su aplicación abarca a una gran variedad de materiales. — Se puede considerar como un ensayo económico. Limitaciones Entre las limitaciones más significativas se encuentran las siguientes: — No detecta discontinuidades que se encuentren debajo de la superficie, ya que solo detecta las abiertas a la superficie. — No se puede aplicar a materiales porosos. — No se puede aplicar a piezas con recubrimientos protectores o pintadas. — Los penetrantes son líquidos derivados del petróleo, lo que dificulta su empleo en algunos materiales plásticos.

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ISBN: 978-84-362-5159-3

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9 78843 6 251 593

Procesado y puesta en servicio de materiales

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