Pruebas mecánicas del acero

Hay disponibles muchas pruebas para evaluar las propiedades mecánicas del acero. Esta sección resume algunas de las pruebas de laboratorio comúnmente usadas para determinar las propiedades requeridas a la hora de especificar un producto. Las probetas de ensayo pueden tener diversas formas, como barra, tubo, alambres, sección plana y probeta entallada, dependiendo del propósito de la prueba y de la aplicación.Ciertos métodos de fabricación, como la flexión, el conformado y el soldado, o ciertas operaciones que implican calentamiento, pueden afectar a las propiedades del material bajo prueba. Por tanto, Ias especificaciones del producto cubren la etapa de fabricación en la que se realizan las pruebas mecánicas. Las propiedades determinadas mediante pruebas antes de fabricar el material pueden no ser necesariamente representativas del producto después de que este haya sido completamente fabricado. Asimismo, Ias fallas en Ia probeta o una preparación o mecanización inapropiadas de la misma darán resultados erróneos (ASTM A370).

Prueba de tensiónLa prueba de tensión (ASTM E8) del acero se realiza para determinar Ia resistencia de fluencia, el punto de fluencia, Ia resistencia de fractura (tracción), la elongación y Ia reducción de área. Típicamente, la prueba se realiza a temperaturas comprendidas entre 10°c y 35°c (50°F y 95°F).

Probeta de ensayos de tención con sección transversal redondeada y rectangular.La probeta de ensayo puede tener su tamaño completo o ser mecanizada para que adopte una cierta forma, según se prescriba en las especificaciones de producto del material que se esté probando. Es deseable utilizar un área transversal pequeña y situada en la parte central de Ia probeta, para garantizar que Ia fractura se produzca dentro de la longitud nominal. Pueden emplearse diversos tipos de formas de sección transversal o perfiles, redondeados y rectangulares, como se ilustra en Ia Figura.

Se pueden utilizar probetas de tipo placa, lámina, varilla redondeada, alambre y tubo. En muchos casos, se usa una probeta redonda con un diámetro de 12,5 mm (1/2 pulgada). Para Ia mayoría de las probetas de varilla redondeada, la longitud nominal con la que se mide la elongación suele ser normalmente igual a cuatro veces el diámetro.

Se pueden usar diversos tipos de abrazaderas para fijar las probetas, dependiendo de su forma. En todos los casos, el eje de Ia probeta de ensayo debe situarse en el centro del cabezal de Ia máquina de prueba, para garantizar que se apliquen esfuerzos de tracción axiales dentro de la longitud nominal sin que se produzcan flexiones. Se utilizará un extensimetro con una galga o un LVDT para medir la deformación de la probeta. La prueba se lleva cabo aplicando una carga axial a Ia probeta a una velocidad especificada. La Figura muestra la realización de una prueba de tracción sobre una probeta de acero redondeado, utilizando un extensimetro LVDT para medir la deformación.

Prueba de tención en una probeta de acero redondeado donde semuestran las abrazaderas y un extensimetro con un LVDT.

El acero tiene una relación esfuerzo­deformación distintiva. Se muestra una respuesta lineal elástica hasta el límite de proporcionalidad. Cuando el esfuerzo se incrementa más allá de ese límite, e acero alcanza el límite de fluencia, en cuyo momento la deformación se incrementara sin que se aumente el esfuerzo; de hecho, el esfuerzo se reducirá ligeramente. Cuando la tención se incrementa más allá del punto de fluencia, la deformación, aumenta según una relación no lineal hasta el punto de fallo.

La disminución de esfuerzo después del pico no implica una disminución de la resistencia. De hecho, el esfuerzo real continúa incrementándose hasta el fallo. La razón de la disminución aparente es que se forma un cuello en la probeta de acero que provoca una reducción apreciable en el área de la sección transversal.

Comportamiento típico esfuerzo­deformación del acero dulce.

La forma tradicional o ingeniería para calcular el esfuerzo y la deformación utiliza el área transversal y la longitud nominal originales. Si se calcula los esfuerzo y las deformaciones basándose en el área transversal la longitud nominal instantáneas, se obtiene una curva real esfuerzo­deformación, que es diferente de la curva de cálculo de esfuerzo­deformación.

Como se muestra, el esfuerzo real es mayor que el esfuerzo de cálculo debido a la menor área de sección transversal en el cuello del elemento. Asimismo la deformación verdadera es mayor que la de cálculo, puesto que el incremento de

longitud en la vecindad del cuello es mucho mayor que el que se produce fuera del mismo. La probeta experimenta la deformación más grande (contracción de la sección transversal e incremento de la longitud) en las regiones más próximas al cuello, debido a la distribución no uniforme de la deformación. El gran incremento de longitud en el cuello aumenta la deformación real en gran medida, porque la definición de dicha deformación es función del cociente entre la variación de longitud y una longitud nominal infinitesimal. Al reducir la longitud nominal hasta tamaño infinitesimal e a la localización en el cuello, el numerador del cociente se incrementa, al mismo tiempo que el denominador continúa siendo pequeño, lo que da como resultado un incremento significativo del cociente de ambos números. Observe que, al calcular la deformación real, puede utilizarse una pequeña longitud nominal en el cuello, dado que las propiedades del material (como por ejemplo la sección trasversal) en ese punto representan las verdaderas propiedades del material. Sin embargo en diversas aplicaciones prácticas, se utilizan los esfuerzos y deformaciones de cálculo en lugar de los reales.

Diagrama de esfuerzo­deformación para la tracción de varillas de acero laminado en caliente para distintos contenidos de carbono.

Los aceros con distintos contenidos de carbono presentan diferentes relaciones esfuerzo­deformación. Al incrementar el contenido de carbono del acero, se incrementa el esfuerzo de fluencia y se reduce la ductilidad. la figura muestra el diagrama de esfuerzo­deformación para la tracción de varillas de acero laminado en caliente, con un contenido de carbono entre el 0.19% y el 0.90%.Al incrementar el contenido de carbono entre el 0.19% y el 0.90%, aumenta el esfuerzo de fluencia de 280 MP a 620 MP (40 ksi a 90 ksi). A sí mismo, este incremento en el contenido de carbono reduce la deformación de fractura desde unos 0.27 m/m a 0.09 m/m. observe que el incremento de contenido de carbono no modifica el modulo de elasticidad.

Generalmente, se asume que el acero es el material homogéneo e isotrópico. Sin embargo, a la hora de fabricar elementos estructurales, la forma final puede obtenerse mediante laminado en frio. Esto hace, esencialmente, que el acero sufra deformaciones plásticas, variando el grado de deformación a lo largo del elemento. La deformación plástica provoca un incremento de la resistencia de fluencia y una

reducción de la ductilidad. La figura ilustra que las propiedades medidas varían dependiendo de la orientación de la muestra respecto al eje laminado (hassett 2003). Por lo tanto, a la hora de evaluar las propiedades mecánicas del acero, es necesario especificar cómo se obtuvo la muestra.

Ejemplo del efecto de la orientación de la probeta sobre las propiedades medidas de resistencia a la tracción del acero.

Curva tensión­deformación

Diagrama de tensión–deformación típico de un acero de bajo límite de fluencia.

El ensayo mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión­deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

Gráfica obtenida por computadora en el ensayo de tensión.

Curva tensión­deformación.

1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.

2. Fluencia o cadencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento

de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.

3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.

4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión­deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.

Prueba ultrasónicaLas pruebas ultrasónicas es un método no destructivo de detección de fallos en los materiales. Resultan particularmente útiles para la evaluación de soldaduras. Durante las pruebas, se dirige una onda sonora hacia la unión soldada y esas ondas se reflejan en las discontinuidades, como se ilustra en la figura. Un sensor captura la energía de la onda reflejada y los resultados se muestran en un osciloscopio. Este método es altamente sensible para la detección de defectos planares, como la pueda ser una fusión

incompleta de la soldadura, una de laminación o la existencia de fisuras.

Las pruebas por ultrasonido son una forma de aseguramiento de la calidad aplicadas para garantizar la solidez y la calidad del acero laminado o del acero creado en fábricas para una gran variedad de propósitos. Esto es importante para los compradores, que a menudo quieren alta calificación de acero para proyectos específicos. Es una prueba de ensayo importante, y muchas empresas ofrecen información precisa sobre para qué se utilizan los dispositivos ultrasónicos y cómo se hacen pruebas en el acero. Por lo general, cada hoja individual es ensayada, ya sea en una cinta transportadora (con un dispositivo montado por ultrasonidos) o con la mano (con un dispositivo portátil).El objetivo es que las placas de acero con un defecto interior puedan ser detectadas a tiempo. Algunos defectos pueden ser vistos en el exterior de la placa, que a menudo significan su descalificación inmediata, pero otros defectos se pueden ocultar en el interior del acero, donde las partículas de metal no se han combinado adecuadamente y forman áreas problemáticas. Al igual que nudos en una tabla de madera, estos defectos pueden causar que la placa se deforme con el tiempo, o poner en peligro su integridad de manera que se rompa con demasiada facilidad.

Los dispositivos por ultrasonidos se componen de dos partes principales: el transductor que envía la señal, y un receptor diseñado para recogerla de nuevo. Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía a otro ­ en este caso, la energía eléctrica en ondas de sonido acústico. Esencialmente, las ondas sonoras viajan a través de la placa de acero y retornan. Cualquier imperfección en la placa crea distorsionan en las ondas, y como consecuencia las ondas viajarán a velocidades divergentes en las zonas con defectos de fabricación. Estas distorsiones son recogidas por el receptor, y si las ondas están demasiado distorsionadas, la placa es descalificada, pero si caen dentro de parámetros aceptables, la pieza es aceptada. Esto no significa que las pruebas de ultrasonido puedan descartar cualquier falla en el acero. Más bien, se puede demostrar que el acero es lo suficientemente bueno para ser vendido sobre la base de las normas del fabricante, y que cualquier pequeño defecto revelado por la prueba ha sido descubierto.

Hay dos formas de realizar la prueba de ultrasonido. Uno de los primeros métodos ideados se basa en los usos del agua y requiere que la placa de acero se sumerja antes de la prueba para comenzar. Esto es difícil de hacer en la base de la fábrica, sobre todo porque el acero recién enfriado no podría estar listo para ser sumergido en el agua otra vez (a menos que los dos procesos se combinen). Un método más

sencillo, simplemente es el envío de las ondas sonoras a través del objeto y no a través del medio que lo rodea, pero exige sensores más receptivos y desarrollados tecnológicamente.

Cuando se inicia la prueba, las ondas sonoras se envían en pulsos. El objetivo es que cada pulso de sonido que viaja a través del objeto y vuelve a su origen se envía con un intervalo de tiempo cuidadosamente calibrado entre ellos. Siempre existe el peligro de coger "falsos" pulsos debido a las interferencias, pero muchos sensores están equipados con la capacidad de detectar esas anomalías y corregirlas.