ANALISIS QUIMICO Y MEDICION DE DUREZA

Uno de los pasos a seguir en el análisis de falla es verificar si el acero indicado en el plano de fabricación es realmente lo indicado por el fabricante de la pieza, para salir de esta duda es necesario realizar estos 2 ensayos. Disponemos de convenios con diferentes universidades del país para realizar medición de dureza y análisis químicos de aceros.

Espectrómetro de emision (GDL) para análisis quimico de acero

Equipo para medir dureza ¡Cuidado con que equipo medir!

 

Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros de diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Los aceros se clasifican según su contenido en carbono en: bajo, medio y alto contenido en carbono.

Los aceros al carbono solo contienen concentraciones residuales de impurezas mientras que los aceros aleados contienen elementos que se añaden intencionadamente en concentraciones específicas.

Los aceros y aleaciones en general se pueden designar de acuerdo a las instrucciones dadas por AISI “American Iron and Steel Institute” ASTM “American Society for Testing and Materials” y SAE “Society of Automotive Engineers”.

La designación AISI/SAE consta de cuatro cifras. Las dos primeras indican el contenido en aleantes y las dos segundas en carbono. Las dos primeras para aceros al carbono son 1 y 0 mientras que en aceros aleados puede ser por ejemplo 13, 41 o 43. Las cifras tercera y cuarta indican el contenido en carbono multiplicado por cien. Por ejemplo, el acero código AISI/SAE 1010, es un acero al carbono (sin elementos aleantes adicionales) y un 0.1 % de C.

Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a través de su composición química, por ejemplo utilizando la norma AISI:

Tabla 1 : Indica la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia, ductilidad y dureza. Sirve para relacionar la composición química y las propiedades mecánicas de los aceros.


Nº AISI:

Descripción

Ejemplo

10XX

Son aceros sin aleación con 0,XX % de C

(1010; 1020; 1045)

41XX

Son aceros aleados con Mn, Si, Mo y Cr

(4140)

51XX

Son aceros aleados con Mn, Si y C

(5160)

Tablas 2: Se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones listadas en base su número AISI-SAE.

Nº SAE o
AISI

Resistencia
a la tracción
Rm

Límite de
fluencia
Re

Alargamiento
en 50 mm

Dureza

Brinell

 

Kgf / mm2

Mpa

Kgf/mm2

Mpa

%

 

1010

40,0

392,3

30,2

292,2

39

109

1015

42,9

420,7

32,0

313,8

39

126

1020

45,8

449,1

33,8

331,5

36

143

1025

50,1

491,3

34,5

338,3

34

161

1030

56,3

552,1

35,2

345,2

32

179

1035

59,8

586,4

38,7

377,5

29

190

1040

63,4

621,7

42,2

413,8

25

201

1045

68,7

673,7

42,2

413,8

23

215

1050

73,9

724,7

42,2

413,8

20

229

1055

78,5

769,8

45,8

449,1

19

235

1060

83,1

814,9

49,3

483,5

17

241

1065

87,0

853,2

51,9

509,0

16

254

1070

90,9

891,4

54,6

535,4

15

267

1075

94,7

928,7

57,3

560,9

13

280

1080

98,6

966,9

59,8

586,4

12

293

Tablas 3: Se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones listadas en base a Norma Chilena

 

Grados del
Acero

Resistencia
a la tracción
Rm

Límite de
fluencia
Re

Alargamiento
en 50 mm

 

Kgf/mm2

Mpa

Kgf/mm2

Mpa

%

A37-24ES

37

363

24

235

22

A42-27ES

42

412

27

265

20

A52-34ES

52

510

34

324

18

 

A44-28H

44,9

440

28,6

280

16

A63-42H

64,2

630

42,8

420

(*)

Aceros bajos en carbono.

Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de C, no responde al tratamiento térmico para dar martensita ni se pueden endurecer por acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad.

Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas para tuberías edificios y puentes. Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de alta resistencia y baja aleación. Contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando ≈ 10 % en peso. Poseen mucha más resistencia mecánica, que puede aumentar por tratamiento térmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Se emplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soportes de edificios altos, bastidores de camiones y vagones de tren.

Aceros medios en carbono.

Contienen entre el 0.25 y 0.60 % en peso de C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es martensita revenida. Las adiciones de Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útil solo para secciones de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.

Aceros altos en carbono.

Generalmente contienen entre el 0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan con tratamientos de templado y revenido que lo hacen muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Generalmente contienen Cr, V, W y Mo, los cuales dan carburos muy duros como Cr23C6, V4C3 y WC. Se utilizan como herramientas de corte, matrices para fabricar herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo, cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia.

La fundición gris

Tiene un contenido en carbono entre 2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %.

El grafito suele aparecer como escamas dentro de una matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa en la figura 4.10. El nombre se debe al color de una superficie fracturada.

Desde un punto de vista mecánico las fundiciones grises son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Esta fundiciones amortiguan la energía vibracional de forma mucho más efectiva que los aceros. Así los equipos que vibran mucho se suelen construir de esta aleación. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas de forma muy complicadas. Además, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

La fundición dúctil o esferoidal

Se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como escamas sino que forma esferoides (figura 4.11) lo que confiere a la fundición propiedades mecánicas diferentes.

No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición gris. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones.

La fundición blanca

Contienen poco carbono y silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca. La microestructura se representa en la figura 4.12.

La fundición blanca es extremadamente dura y frágil por lo que es inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar la fundición maleable.

La fundición maleable

Se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 ºC. En estas condiciones la cementita descompone para dar grafito en forma de racimos o rosetas dentro de la matriz ferrítica o perlítica. La microestructura se representa en la figura 4.13 y es similar a la de la fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos de dirección y engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas.

La ductilidad
Esta es una de las más importantes propiedades mecánicas de los materiales ¡y encima es fácil de entender! Luego veremos el porqué.
De un artículo anterior, donde hablábamos del gráfico tensión-deformación, concretamente del tramo 3, que era el punto a partir del cual, si seguíamos manteniendo la fuerza aplicada, el material no recobraba su posición original, o sea, quedaba deformado, aquello que denominamos deformación plástica.
Pues bien, la dureza se define como la resistencia de un material a ser rayado o aboyado, o sea, la resistencia que opone a traspasar el tramo 3 de manera local (en una zona o punto). Más sencillo todavía, cuando intentamos rayar algo (con un llave de casa por ejemplo), o intentamos aboyarlo (dando golpes con la misma llave, que por supuesto ya no abrirá ninguna puerta), y no lo conseguimos, decimos ¡esto está duro! Pues eso es, si un material tiene un elevado valor de dureza nos costará llevar a cabo lo comentado.
Para medir esta propiedad de realiza el denominado ensayo de dureza; estos ensayos para determinar la dureza, tienen en común que utilizan un aparato llamado durómetro (que podemos ver en la foto). Este aparato utiliza una punta que clavamos encima del material a ensayar, aplicando diferentes tipos de cargas (mediante pesos), y así obtenemos un valor dentro de unas escalas de valores, que veremos luego. Ahora veamos como hacer este ensayo:

  1. Colocamos una muestra del material o la pieza, encima del eje central que vemos en la foto, en esa especie de sombrero de copa que hay encima del vástago roscado
  2. Se coloca una punta en la parte superior, según el tipo de escala en el que queramos medir. Lo llamamos penetrador ¡porque penetra! (vale, lo dejo aquí)
  3. Colocamos los pesos dentro del durómetro. Los pesos son esos discos negros que aparecen en la foto, al lado del aparato. Cada uno de ellos lleva una placa identificando su peso y el ensayo para el que se usan (al menos eso llevan los que yo conozco).
  4. Si comenzamos a dar vueltas a la base, por los asideros negros, el vástago sube, y aprieta el material contra la punta, durante un tiempo determinado que también es función del tipo de ensayo. Esta presión, en función del tipo de material, dejará una huella provocada por la punta, que será la que nos dará la información sobre la dureza del material.
  5. Si el durómetro tiene reloj o otro sistema de lectura, nos dará directamente el valor obtenido. Sino lo tiene, y para no aburrir al personal y dejaros medio dormidos a estas horas, no os explicaré toda la parte de cálculo, pero sí os apunto, que se basan en la medición de las huellas que dejan sobre el material.

Antes de hablaros de la aplicación real de esta propiedad en la industria, daremos unos pequeños apuntes sobre los sistemas de medición de dureza más conocidos y por tanto, más usados:

  • Dureza Rockwell. Es el método más usado para medir la dureza ya que es muy fácil de realizar. Se realiza con una punta de diamante cónica, o con una esfera de acero de diferentes tamaños. Es el método más utilizado para medir la dureza de los aceros. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
  • Dureza Rockwell superficial. Este método es igual que el anterior, con la variante que realiza una deformación menor en el material, es más superficial, por eso suele utilizarse cuando se miden planchas delgadas de material, o sea, espesores pequeños (de menos de un milímetro). También se usa para obtener la dureza de los tratamientos térmicos, que aunque ya hablaremos de ellos, os avanzo que se aplican sólo en las primeras capas del material, con espesores a veces de 20, 30 ó 40 micras (micra, a parte de un coche, es un milímetro dividido mil veces. Un pelo humano ¡de la cabeza! tiene entre 50-70 micras). Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
  • Dureza Brinell. Este método al igual que el anterior, utiliza una punta esférica para determinar el valor de dureza, pero es más utilizado para ensayar sobre metales blandos, como bronces y latones. Es el más antiguo de todos, data del 1900. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
  • Dureza Vickers y Knoop. En este método también se utiliza una punta de diamante, pero en este caso la forma es de una pirámide. Se utiliza al igual que la dureza Brinell para materiales blandos, por eso sus escalas son coincidentes, eso sí, este es una mejora del anterior, ya que permite realizar los ensayos sobre piezas de menor espesor. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

No todas estas escalas coinciden, por eso, entre algunas de ellas, se deben utilizar tablas para establecer sus equivalencias. Podéis consultar esta tabla, o descargarla en PDF.
Por último, en cuanto a escalas, quería mostraros una escala muy famosa, que se utiliza sobre todo en minerología, y que incluso ha dado pie a preguntas del famoso Trivial Pursuit®, así que echar un vistazo a la escala y quedaros al menos con el primero y el último, esta es la escala de Mohs. ¿Cuál es mineral más blando? ¿y el más duro?
Ahora sí va…por último,  porque este ensayo y esta propiedad es tan importante en la ingeniería, cuando a priori, existen otras propiedades que nos deberían interesar más, como la resistencia mecánica, por ejemplo.
Que sí, que sí, que por último, resulta que como tanto la dureza, como la resistencia mecánica, vienen determinadas por la deformación plástica del material (recordar que hemos hablado de esto al inicio), resulta que existe cierta proporcionalidad entre sus valores, así que estableciendo una factores de conversión, podemos determinar a través del ensayo de dureza, la resistencia mecánica de un material. Así que, el ensayo de dureza se utiliza mucho más que el ensayo de resistencia porque:

  • Es más barato. Sobre todo el equipo
  • Es un ensayo no destructivo, o sea no nos cargamos la pieza como en el de resistencia.
  • Nos permite extrapolar datos precisos para obtener la resistencia mecánica del material.

 

 

 



 
 
 
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