TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN METALURGIA

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1 TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN METALURGIA Unidad temática nº 10: Ensayos no destructivos. Introducción Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado de cualquier forma que no impida su utilidad futura. Aunque en la mayoría de los casos, las pruebas no destructivas no dan una medición directa de las propiedades mecánicas, son muy valiosas para localizar defectos en los materiales que podrían afectar el funcionamiento de una pieza de una máquina cuando entra en servicio. Dicha prueba se emplea para detectar materiales defectuosos antes de que las partes componentes sean formadas o mecanizadas; para detectar componentes defectuosas antes de ensamblar; para medir el espesor de un metal u otros materiales; para determinar el nivel de líquido o el contenido de sólido en recipientes opacos; para identificar y clasificar materiales; y para descubrir defectos que pudieran desarrollarse durante el procesamiento o el uso. Las partes también pueden examinarse cuando están en servicio, lo que permitirá su remoción previa a la ocurrencia de una falla. Las pruebas no destructivas se utilizan para hacer productos más confiables, seguros y económicos. Hay cinco elementos básicos en cualquier prueba no destructiva: 1 Fuente: Una fuente que proporciona un medio de sondeo, es decir, algo que puede usarse con el fin de obtener información del artículo bajo prueba. 2 Modificación: Este medio de sondeo debe cambiar o ser modificado como resultado de las variaciones o discontinuidades dentro del objeto sometido a prueba. 3 Detección: Un detector que puede determinar los cambios en el medio de sondeo 4 Indicación: Una forma de indicar o registrar las señales del detector. 5 Interpretación: Un método de interpretar estas indicaciones. Aunque hay en uso una gran variedad de pruebas no destructivas garantizadas, los métodos de prueba o inspecciones no destructivas más comunes son: Radiografía Inspección de partículas magnéticas Inspección por penetración fluorescente Inspección ultrasónica Inspección por corrientes eléctricas parásitas 10.1.: Radiografía de metales. La radiografía de metales se puede realizar mediante rayos X o rayos gamma, rayos electromagnéticos de longitud de onda corta capaces de atravesar espesores de metal relativamente grandes. Los rayos gamma se pueden obtener ya sea de un material radioactivo natural (como el radio) o de un isótopo radioactivo (como el cobalto 60). La radiación gamma es más penetrante que los rayos X, pero su sensibilidad inferior Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 87

2 limita su aplicación. No hay forma de que la fuente se pueda regular para examinar espesores variables o con contrastes, y generalmente requiere mucho más tiempo de exposición que el método de rayos X. Los rayos X se producen cuando la materia es bombardeada por un haz de electrones que se mueven rápidamente. Cuando los electrones se detienen de repente por la materia, parte de su energía cinética se convierte en energía de radiación o rayos X. Las condiciones esenciales para la generación de rayos X son: a) un filamento (cátodo) que proporciona la fuente de electrones que se dirigen hacia el objetivo, b) un objetivo (ánodo) localizado en la trayectoria de los electrones, c) una diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo, con lo que se regulará la velocidad de los electrones que inciden sobre el objetivo, regulando la longitud de onda de rayos X producidos, y d) un medio de regular la corriente del tubo para controlar el número de electrones que chocan contra el objetivo. Los requisitos a) y b) los proporciona generalmente el tubo de rayos X. La figura 10.1 muestra esquemáticamente el uso de los rayos X para examinar una placa soldada. Figura 10.1.: Representación esquemática del uso de los rayos X para examinar una placa soldada. Una radiografía es una fotografía sombreada de un material más o menos transparente a la radiación. Los rayos X oscurecen la película, de modo que las regiones de menor densidad que permiten fácilmente la penetración de éstos aparecen oscuras en el negativo, comparadas con las regiones de mayor densidad que absorben más radiación. De este modo, un orificio o una fractura aparecen como un área más oscura, en tanto que las inclusiones de cobre en una aleación de aluminio aparecen como un área más clara. Aunque la radiografía de metales se ha utilizado principalmente para revisar piezas fundidas y productos soldados, también puede usarse para medir el espesor de los materiales. La figura 10.2 muestra una forma sencilla de medir el espesor de un material por medio de radiación. La radiación de la fuente se ve influida por el material sometido a prueba. Conforme el espesor aumenta, la intensidad de radiación que alcanza al detector disminuye. Si la respuesta del detector es calibrada con base en espesores conocidos, la lectura del detector se puede usar para indicar el espesor del material revisado. Con un circuito de retroalimentación adecuado, el detector puede emplearse para controlar el espesor entre límites predeterminados. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 88

3 Figura 10.2.: Medidor del espesor de un material por medio de radiación : Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux) Éste es un método para detectar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y discontinuidades semejantes en materiales ferromagnéticos como el hierro y el acero. El método detectará discontinuidades de la superficie demasiado finas para apreciarse a simple vista y también detectará discontinuidades ligeramente por debajo de la superficie. No es aplicable a materiales no magnéticos. La inspección por partículas magnéticas puede realizarse en diversas formas. La pieza que se va a inspeccionar puede magnetizarse y luego cubrirse con finas partículas magnéticas (polvo de hierro); esto se conoce como método residual. O bien, la magnetización y aplicación de las partículas puede hacerse simultáneamente, lo cual se conoce como método continuo. Las partículas magnéticas pueden mantenerse en suspensión en un líquido que se vierte sobre la pieza, o la pieza puede sumergirse en la suspensión (método húmedo). En algunas aplicaciones, las partículas, en forma de fino polvo, se esparcen sobre la superficie de la pieza de trabajo (método seco). La presencia de una discontinuidad se revela por la formación y adherencia de un arreglo característico de las partículas sobre la discontinuidad en la superficie de la pieza de trabajo. Este arreglo recibe el nombre de indicación y adquiere la forma aproximada de la proyección superficial de la discontinuidad. El método Magnaglo, es una variante de la prueba Magnaflux. La suspensión vertida sobre la pieza de trabajo magnetizada contiene partículas magnéticas fluorescentes. Entonces, la pieza de trabajo se observa bajo luz negra, con lo cual las indicaciones destacan más claramente. Cuando la discontinuidad está abierta a la superficie, el campo magnético se fuga hacia la superficie y forma pequeños polos norte y sur que atraen a las partículas magnéticas (figura 10.3). Cuando pequeñas discontinuidades están bajo la superficie, alguna parte del campo aún podría desviarse a la superficie, pero la fuga es menor y se atraen menos partículas, con lo que la indicación obtenida es mucho más débil. Si la discontinuidad está muy lejos por debajo de la superficie, no habrá ninguna fuga del campo magnético y, en consecuencia, no se obtendrá indicación alguna. Es necesario emplear apropiadamente métodos de magnetización, para asegurar que le campo magnético formado esté perpendicular a la discontinuidad y lograr la indicación más clara. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 89

4 Figura 10.3.: Principio de la prueba Magnaflux. Como se muestra en la figura 10.4, para obtener una magnetización longitudinal, el campo magnético puede producirse en una dirección paralela a lo largo del eje mayor de la pieza de trabajo colocando la pieza en una bobina excitada por una corriente eléctrica, de modo que el eje más largo de la pieza esté paralelo al eje de la bobina. Entonces la parte metálica se convierte en el núcleo de un electroimán y se magnetiza por inducción del campo magnético creado por la bobina. Cuando se tienen partes muy largas, se magnetizan parcialmente, moviendo la bobina a lo largo de la longitud de la pieza. En el caso de magnetización circular, también mostrada en la figura 10.4, fácilmente se produce un campo magnético transversal al eje mayor de la pieza de trabajo, pasando corriente de magnetización a través de la pieza y recorriendo todo lo largo de su eje. Figura 10.4.: Ilustración de dos clases de magnetización: a) Magnetización longitudinal; b) magnetización circular. La corriente directa, la corriente alterna y la corriente alterna rectificada se emplean con fines de magnetización. La corriente directa es más sensible que la alterna para detectar discontinuidades no abiertas a la superficie. La corriente alterna detectará discontinuidades abiertas a la superficie y se emplea cuando la Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 90

5 detección de este tipo de discontinuidad es el único fin de la prueba. Cuando la corriente alterna está rectificada, proporciona un campo magnético más penetrante. La sensibilidad del método de inspección por partículas magnéticas se ve afectada por muchos factores, incluyendo la concentración de la suspensión indicadora, el tiempo de contacto de la suspensión con la pieza, el tiempo permitido para que se formen las indicaciones, el tiempo que se mantiene activa la corriente de magnetización, y la intensidad de la corriente de magnetización. Todas las partes de máquinas que han sido magnetizadas para su inspección deben someterse a un proceso de desmagnetización. Si estas partes se ponen en servicio sin desmagnetizarlas, atraerán limaduras, polvos metálicos, rebabas y otras partículas de acero que pueden rayar, y por tanto dañar, los cojinetes y otras piezas de la maquinaria : Inspección por penetración fluorescente (Zyglo) Este es un método sensible no destructivo con el que se pueden detectar pequeñas discontinuidades como fisuras, contracciones y porosidades que afloren a la superficie. Aunque este método puede aplicarse tanto a materiales magnéticos como a no magnéticos, se usa principalmente en materiales no magnéticos. Se puede recurrir a varias técnicas penetrantes para revisar cualquier material homogéneo que no sea poroso, como metales, vidrio, plástico y algunos materiales cerámicos. Las partes que van a probarse se tratan primero con un trazador o colorante. Por lo general, los trazadores son líquidos ligeros, de apariencia aceitosa que se aplican a la prueba por inmersión, rociado o con una brocha, o de laguna otra manera conveniente. El trazador es absorbido dentro de las fisuras y otras discontinuidades por una fuerte acción capilar. Después que el trazador ha tenido tiempo de filtrarse, los residuos restantes sobre la superficie se limpian o se lavan. Esto permite al trazador permanecer en todas las discontinuidades que afloran a la superficie. A continuación, la pieza que se está revisando se trata con un polvo seco o una suspensión de polvo en un líquido. este polvo o revelador actúa como una esponja que atrae al trazador fuera del defecto y aumenta el tamaño del área de indicación. A fin de que este proceso de inspección sea eficaz, el trazador debe ser observado fácilmente en el polvo revelador. Un método para facilitar la inspección es usar colores contrastantes para el trazador y el revelador. Una combinación muy común es utilizar revelador blanco y un colorante rojo. Otro método consiste en usar un trazador fluorescente. La figura 10.5 muestra los pasos principales en la inspección por medio de un trazador fluorescente. Los pasos son exactamente los mismos que los descritos con anterioridad, excepto que el líquido penetrante contiene un material que emite luz visible cuando se expone a una radiación ultravioleta. las lámparas que emiten luz ultravioleta se llaman lámparas negras, porque la luz visible que podrían emitir normalmente es detenida por un filtro, haciéndola aparecer negra o púrpura oscuro. Cuando la parte que va a ser revisada se observa bajo la luz negra, el defecto aparece como una marca fluorescente que brilla contra el fondo negro. La inspección por trazador fluorescente se emplea para localizar fisuras y contracciones en piezas fundidas, fisuras en la fabricación y re-esmerilado de herramientas de carburo, fisuras y hoyos en estructuras soldadas, fisuras en hojas de turbina de vapor y de gas, y fisuras en aisladores cerámicos para bujías y aplicaciones electrónicas. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 91

6 Figura 10.5.: Pasos principales en el método de inspección por penetrante fluorescente : Inspección ultrasónica. Un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una pieza de metal es golpeada con un martillo, producirá ciertas notas audibles, las cuales pueden alterarse en resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin embargo, esta técnica de golpear con un martillo y escuchar el sonido es útil sólo para detectar grandes defectos. Un método más depurado consiste en utilizar ondas de sonido fuera del intervalo auditivo, con una frecuencia de 1 a 5 millones de Hz (ciclos por segundo)- de aquí el término ultrasónico. El método ultrasónico es una prueba no destructiva, confiable y rápida que emplea ondas sonoras de alta frecuencia producidas electrónicamente que penetrarán metales, líquidos y muchos otros materiales a velocidades de varios miles de metros por segundo. Las ondas ultrasónicas para ensayos no destructivos generalmente las producen materiales piezoeléctricos, los cuales sufren un cambio en su dimensión física cuando se someten a un campo eléctrico. Esta conversión de energía eléctrica a energía mecánica se conoce como efecto piezoeléctrico. Si se aplica un campo eléctrico alterno a un cristal piezoeléctrico, el cristal se expandirá durante la primera mitad del ciclo y se contraerá cuando el campo eléctrico se invierta. Al variar la frecuencia del campo eléctrico alterno, se puede variar la frecuencia de la vibración mecánica (onda sonora) producida en el cristal. El cuarzo es un transductor ultrasónico ampliamente utilizado. Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. La figura 10.6 muestra dos métodos de prueba ultrasónicos comunes: el de transmisión continua y el de eco-pulsos. El primero utiliza un transductor en cada lado del objeto que va a revisarse. Si al cristal transmisor se le aplica un pulso eléctrico de la frecuencia deseada, las ondas ultrasónicas producidas se desplazarán a través de la muestra hasta el otro lado. El transductor de recepción situado en el lado opuesto recibe las vibraciones y las convierte en una señal eléctrica que se puede amplificar y observar en el tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, un medidor o algún otro indicador. Si la onda ultrasónica viaja a través de la muestra sin encontrar ninguna imperfección, la señal recibida será relativamente grande. Si hay imperfección en la trayectoria de la onda ultrasónica, parte de la energía se reflejará y la señal que recibirá el transductor de recepción se reducirá. El método del eco-pulso utiliza sólo un transductor que sirve como transmisor y como receptor. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 92

7 Figura 10.6.: Métodos de inspección ultrasónica, el de transmisión y el de eco-pulsos. La gráfica de un osciloscopio cuando se utiliza el método de eco-pulso sería semejante a la de la figura Conforme la onda sonora penetra en el material sometido a prueba, parte de ella se refleja de vuelta al cristal, donde se convierte en un impulso eléctrico. Este impulso se amplía y hace visible, apareciendo como una indicación o señal sobre la pantalla del osciloscopio. Cuando la onda sonora alcanza el otro lado del material, se refleja de regreso al cristal y se ve como otra señal sobre la pantalla hacia la derecha de la primera señal. Si hay imperfección entre las superficies frontal y posterior del material, se delatará sobre la pantalla como una tercera señal entre las dos indicaciones correspondientes a las superficies frontal y posterior. Como las indicaciones en la pantalla del osciloscopio miden el tiempo transcurrido entre la reflexión del pulso desde la superficie frontal y posterior, la distancia entre indicaciones es una medida del espesor del material. Por tanto, la localización de un defecto puede determinarse con exactitud por la indicación que aparece sobre la pantalla. Figura 10.7.: Gráfica de un osciloscopio por el método de eco-pulsos de inspección ultrasónica. En general, las superficies uniformes y lisas son más apropiadas para la prueba de pulso de mayor frecuencia; por tanto permiten detectar defectos más pequeños. La transmisión adecuada de la onda ultrasónica tiene gran influencia en la confiabilidad de los resultados de la prueba. Para partes de mayor tamaño, una película de aceite asegurará un contacto apropiado entre la unidad del cristal de búsqueda y la pieza a prueba. Las partes más pequeñas pueden colocarse en un tanque con agua, aceite o glicerina. La unidad del cristal de búsqueda transmite ondas sonoras a través del medio y penetrarán en el material que se examina. Un examen de la pantalla del osciloscopio de esta gráfica permitirá ver la presencia de tres señales. La señal de la izquierda indica el frente de la pieza, la de la derecha la parte posterior de la pieza y la señal más pequeña del centro indica una imperfección. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 93

8 La inspección ultrasónica se utiliza para detectar y localizar defectos como cavidades de contracción (rechupes), vacíos o fisuras internas, porosidad y grandes inclusiones no metálicas. El espesor de la pared se puede medir en recipientes cerrados o en casos en que tal medición no puede hacerse de otra manera : Inspección por corrientes parásitas. Las técnicas por corrientes parásitas se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales conductores en busca de defectos, irregularidades en estructura y variaciones en composición. En la prueba por corrientes parásitas, si una fuente de corriente alterna se conecta a una bobina se produce un campo magnético variable. Cuando este campo se coloca cerca de una muestra a prueba, capaz de conducir una corriente eléctrica, se inducirán en la muestra corrientes parásitas. A su vez, estas corrientes producirán un campo magnético propio. La unidad de detección medirá este nuevo campo magnético y convertirá la señal en un voltaje que puede leerse en un medidor o en un tubo de rayos catódicos. propiedades como la dureza, la composición de la aleación, la pureza química y la condición de tratamiento térmico influyen en el campo magnético y se pueden medir directamente con el uso de una sola bobina. Un empleo importante que se da a esta prueba es la inspección de materiales para detectar posibles variaciones con el tratamiento térmico o con posibles derivaciones en la composición química. esta aplicación requiere el uso de dos bobinas. Una pieza estándar se coloca en una bobina y la pieza a prueba en la otra. La aceptación o rechazo de la pieza a prueba puede determinarse comparando las gráficas de las dos piezas, que aparecen sobre la pantalla del osciloscopio. La prueba por corrientes parásitas puede emplearse para detectar defectos superficiales y subsuperficiales, espesor de placas o tubos, y espesor de capas. La tabla 10.1 resume los principales métodos de pruebas no destructivas. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 94

9 Método de inspección Corrientes parásitas Radiografía Rayos X Gamma Rayos X Partícula magnética Tabla 10.1.: Principales métodos de pruebas no destructivas Cuándo usarlo Dónde usarlo Ventajas Limitaciones Para medir variaciones en espesor de paredes de metales o capas delgadas; para detectar costuras o vetas longitudinales o fisuras en tubos; para determinar tratamientos térmicos y composiciones metálicas para su clasificación Para detectar imperfecciones y defectos internos; para encontrar fallas en soldaduras, fisuras, vetas o costuras, porosidad, hoyos, inclusiones, falta de fusión; para medir variaciones en espesor. Para detectar imperfecciones internas, fisuras, vetas o costuras, hoyos inclusiones, defectos de soldadura; para medir variaciones de espesor. Para detectar imperfecciones superficiales o subsuperficiales no profundas, fisuras, porosidad, inclusiones no metálicas y defectos de soldadura Penetrante Para localizar fisuras superficiales, porosidad, traslapes, defectos por falta de calor, falsas uniones, fatiga y fisuras por esmerilado. Eco-pulso ultrasónico Para encontrar defectos internos, fisuras, falsas uniones, laminaciones, inclusiones, porosidad; para determinar la estructura de grano y espesores. Tuberías y barras, partes de geometría uniforme, placas o materiales planos o láminas y alambre. Ensambles de partes electrónicas, piezas coladas, recipientes soldados; prueba de campo de soldaduras; inspecciones de corrosión; componentes de materiales no metálicos Forja, fundiciones, tubería, recipientes soldados; prueba de campo de tuberías soldadas; inspección de corrosión. Sólo para materiales ferromagnéticos; partes de cualquier tamaño, forma, composición o tratamiento térmico. Todos los metales, vidrio y cerámica, piezas coladas, forjas, partes maquinadas y herramientas de corte; inspecciones de campo. Todos los metales y materiales no metálicos duros; láminas, tubos, varillas, forjas, piezas coladas; prueba de campo y producción; prueba de partes en servicio; uniones de enlace adhesivas y soldadas. Alta velocidad, ningún contacto, automático. Proporciona un registro permanente en la película; funciona bien en secciones delgadas; alta sensibilidad; técnicas de fluoroscopía disponibles; nivel de energía ajustable. Falsas indicaciones como resultado de las muchas variables; sólo es útil para materiales conductores Alto costo inicial; es necesaria una fuente de poder; riesgo por radiación; necesitan entrenados. se técnicos Detecta gran variedad Un nivel de energía de imperfecciones; da por fuente; riesgo por un registro radiación; se permanente; portátil; necesitan técnicos bajo costo inicial; la entrena-dos; la fuente de suministro es fuente pierde pequeña (útil para potencia toma interna); hace continuamente. exposiciones panorámicas. Económico, de principio El material debe ser sencillo, fácil de magnético, se efectuar; portátil; requiere rápido para prueba desmagnetización durante producción después de la prueba, industrial. fuente de potencia necesaria; las partes deben limpiarse antes de terminar de fabricarse. Sencillo de aplicar, portátil, rápido, bajo costo; resultados fáciles de interpretar, no necesita preparativos complicados. Rápido, confiable, fácil de operar, facilita la automatización, los resultados se conocen de inmediato; relativamente portátiles, muy exactos, sensibles. Limitado a defectos superficiales; las superficies deben estar limpias. Requiere con-tacto o inmersión de la parte, y la interpretación de lecturas necesita entrenamiento. Dra. Stella Ordoñez - Depto. de Ingeniería Metalúrgica - Universidad de Santiago de Chile 95