Ensayos de Materiales: Destructivos y No Destructivos

Ensayo de Fatiga

Son tres los factores necesarios para producir la quiebra por fatiga:

Una tensión de tracción máxima de valor suficientemente alto.
Una variación en el esfuerzo aplicado lo suficientemente grande.
Un número suficientemente alto de ciclos de aplicación de la tensión.

La fractura por fatiga es un proceso que puede presentar tres etapas:

Nucleación de la grieta en las zonas de concentración de tensiones.
Avance lento de la grieta a través de planos cristalinos a 45º de la tracción aplicada a lo largo de unos pocos granos.
Propagación rápida de la grieta en dirección perpendicular a la tensión aplicada, hasta que llega a un tamaño crítico que produce la quiebra catastrófica.

Determinación de Datos de Fatiga

La determinación de los datos de fatiga se lleva a cabo, en distintos tipos de máquinas, aplicando estados tensionales diversos, manteniéndose, por lo general, constante el ciclo de tensión. La mayor parte de los ensayos se llevan a cabo aplicando una tensión media, σ_m = 0. Una serie de probetas del material se someten a distintos valores de la amplitud σ_a hasta su ruptura. Cada ensayo da un punto de un diagrama de σ_a – logaritmo del número de ciclos en rotura (curva (S-N) o diagrama de Wöhler). La resistencia a la fatiga es el valor de la amplitud del esfuerzo que provoca la rotura del material después de un número determinado de ciclos. Algunos materiales, como la mayoría de los aceros y aleaciones de titanio, tienen una curva de fatiga del tipo mostrado en la figura 9 para el acero dulce. En estos materiales, existe un valor de la amplitud de la tensión por debajo del cual nunca ocurrirá quiebra por fatiga; este parámetro se conoce con el nombre de límite de fatiga. Uno de los factores más significativos es el acabado superficial de las piezas, ya que las grietas de fatiga suelen iniciarse en la superficie. Así, una superficie pulida tiende a dar un mayor valor de la resistencia a fatiga.

Ensayos No Destructivos

Como su nombre lo indica, los ensayos no destructivos son de carácter no destructivo, que se realizan en materiales, sean metales, polímeros, cerámicos o compuestos. Este tipo de pruebas, generalmente se utiliza para determinar cierta característica física o química del material en cuestión. A continuación veremos algunos de los ensayos no destructivos más comunes:

Inspección visual
Líquidos penetrantes
Pruebas magnéticas
Ultrasonidos
Pruebas radiográficas
Tomografía
Pruebas de fugas
Emisión acústica
Pruebas infrarrojas

Inspección Visual

La inspección visual (IV), es sin duda uno de los Ensayos No Destructivos más ampliamente utilizado, puesto que gracias a éste, uno puede obtener información rápidamente, de la condición superficial de los materiales que se estén inspeccionando, con el simple uso del ojo humano. Durante la IV, en muchas ocasiones, el ojo humano recibe ayuda de algún dispositivo óptico, ya sea para mejorar la percepción de las imágenes recibidas por el ojo humano (gafas, lupas, etc.) o bien por proporcionar contacto visual en áreas de difícil acceso, como es el caso de la IV del interior de tuberías de pequeño diámetro, en este caso se pueden utilizar boroscopios (rígidos o flexibles, de lentes o fibra óptica), pequeñas cámaras de vídeo (endoscopia), etc. Es importante que el personal que realiza IV tenga conocimiento sobre los materiales que esté inspeccionando, así como también, del tipo de irregularidades o discontinuidades a detectar en los mismos, por ejemplo: la IV de uniones soldadas.

Líquidos Penetrantes

El ensayo de líquidos penetrantes (LP) se basa en el principio físico de la capilaridad y consiste en la aplicación de un líquido, con buenas características de penetración en pequeñas aberturas, sobre la superficie limpia a inspeccionar. Cuando ha transcurrido un tiempo suficiente como para que el líquido penetre en cualquier apertura superficial, se realiza una limpieza del exceso de líquido penetrante, mediante el uso de algún material absorbente (papel, trapo, etc.) y, a continuación, se aplica un líquido absorbente, llamado revelador, de color diferente al líquido penetrante, el cual absorberá el líquido que no haya penetrado en las aberturas superficiales. Por tanto, las áreas en las que se observe la presencia de líquido penetrante después de la aplicación del líquido absorbente, son áreas que contienen discontinuidades superficiales (grietas, perforaciones, etc.) Existen dos técnicas en el proceso de aplicación de los LP:

Líquidos Penetrantes Visibles: el líquido revelador es visible a simple vista o con ayuda de luz artificial blanca.
Líquidos Penetrantes Fluorescentes: el líquido revelador sólo es visible en la oscuridad y utilizando luz negra o ultravioleta, lo que le da un aspecto fluorescente.

Pruebas Magnéticas

Este método de Ensayo No Destructivo, se basa en el principio físico conocido como magnetismo, el cual exhiben principalmente los materiales ferrosos como el acero. Consiste en la capacidad de atracción entre metales, es decir, cuando un metal es magnético, atrae en sus polos a otros metales igualmente magnéticos o con capacidad para magnetizarse. Un metal magnético se magnetiza mediante una corriente eléctrica. Se esparcen sobre su superficie diminutas partículas magnéticas. Si en algún punto de la superficie se acumulan estas partículas quiere decir que el material tiene discontinuidades subsuperficiales y/o superficiales. Este método está limitado a la detección de discontinuidades superficiales y en algunas ocasiones subsuperficiales. Asimismo, su aplicación también se encuentra limitada por su carácter magnético, es decir, sólo puede ser aplicada en materiales ferromagnéticos.

Aplicaciones de las Pruebas Magnéticas

Este método es ampliamente utilizado en el ámbito industrial y algunas de sus principales aplicaciones las encontramos en:

El control de calidad o inspección de componentes mecanizados.
La detección discontinuidades en la producción de soldaduras.
En los programas de inspección y mantenimiento de componentes críticos en plantas químicas, de cemento, petroquímicas, etc. (Recipientes a presión, tuberías, tanques de almacenamiento, etc.)
La detección de discontinuidades de componentes sujetos a cargas cíclicas (fatiga).

Hay dos mecanismos mediante los cuales se pueden aplicar las partículas magnéticas:

Vía húmeda: las partículas se encuentran suspendidas en un medio líquido tales como aceite o agua.
Vía seca: las partículas se encuentran suspendidas en aire.

Asimismo, existen dos tipos de partículas magnéticas:

Partículas magnéticas visibles: son visibles a simple vista o con ayuda de luz artificial blanca.
Partículas magnéticas fluorescentes: son visibles en la oscuridad y utilizando luz negra o ultravioleta, lo que le da un aspecto fluorescente.

Ventajas y Desventajas de las Pruebas Magnéticas

Cada medio de aplicación (húmedo o seco) y cada tipo de partículas magnéticas (visibles o fluorescentes) tiene los sus ventajas y desventajas. El medio y el tipo de partícula a utilizar lo determinan diferentes factores entre ellos pueden ser: el tamaño de las piezas a inspeccionar, el área a inspeccionar, el medio ambiente bajo el que se realizará el ensayo, el tipo de discontinuidades a detectar y el coste. Otro factor importante a considerar, es la forma o mecanismo mediante el cual se magnetizarán las piezas o el área a inspeccionar, lo que puede conseguirse de diferentes formas, ya sea mediante el uso de: puntas de contacto, de un yugo electromagnético, imanes permanentes, etc.

Ultrasonidos

El método de Ultrasonido se basa en la generación, propagación y detección de ondas elásticas (sonido) a través de los materiales. En la figura de abajo se muestra un sensor o transductor acústicamente acoplado a la superficie de un material. Este sensor, contiene un elemento piezoeléctrico, cuya función es convertir pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, las cuales a su vez generan sonido, con una frecuencia inaudible en el oído humano. El sonido, en forma de ondas elásticas, se propaga a través del material hasta que pierde por completo su intensidad o hasta que se topa con una interfase, es decir algún otro material como el aire o el agua. Esto se puede traducir en un cambio de intensidad, dirección y ángulo de propagación de las ondas originales. De esta manera, es posible aplicar el método de ultrasonido para determinar ciertas características de los materiales tales como:

Tamaño de grano en metales.
Presencia de grietas o poros
Adhesión entre materiales.
Inspección de soldaduras.
Medición de espesores de pared

Como puede observarse, con el método de ultrasonido es posible obtener una evaluación de la condición interna del material en cuestión. Sin embargo, el método de ultrasonido es complejo en la práctica y requiere personal cualificado para la su aplicación y la interpretación de los resultados del ensayo.

Pruebas Radiográficas

La radiografía como método de ensayo no destructivo se basa en la capacidad de penetración de los Rayos X y los Rayos Gamma. Con este tipo de radiación es posible irradiar un material y si este material presenta cambios internos considerables como para dejar pasar o retener ésta radiación, entonces es posible determinar la presencia de estas irregularidades internas, simplemente midiendo la radiación incidente contra la radiación retenida o liberada por el material. La radiación emitida a través del material metálico, pasa a través del aire u otro tipo de gas contenido por los poros, que dejan pasar mayor cantidad de radiación que en cualquier otra parte del material. El resultado queda plasmado en la película radiográfica situada en la parte inferior del material metálico El método de radiografía permite obtener una visión de la condición interna de los materiales. De ahí que sea ampliamente utilizada en la evaluación de soldaduras. Sin embargo, este método también tiene sus limitaciones. El equipo necesario para realizar una prueba radiográfica tiene un elevado coste de adquisición y mantenimiento, además de requerir un permiso especial para la manipulación de material radiactivo y el uso de detectores de radiación para asegurar la integridad y salud del personal que realiza las pruebas.

Tomografía Computerizada Industrial

Los equipos radiográficos han evolucionado hacia los modernos equipos de tomografía computerizada que ofrecen mapas 3D del interior de todo tipo de materiales. El escaneado con tomógrafo permite medir, analizar e inspeccionar defectos ocultos y estructuras internas que no pueden detectarse con las máquinas de medida por coordenadas.

Pruebas de Fugas – Estanqueidad

Los ensayos de detección de escapes son un tipo de prueba no destructiva que se utiliza en sistemas o componentes presurizados para detectar grietas o fisuras por donde pueda escapar algún fluido. La detección de fugas es de grande importancia, ya que pueden afectar a la seguridad o al funcionamiento de diferentes componentes y reducir su fiabilidad. Generalmente, las pruebas de detección de fugas se realizan:

Para prevenir fugas de materiales que puedan interferir con la operación de algún sistema (prensa hidráulica, grifo, etc.).
Para prevenir fuego, explosiones y contaminación ambiental, o daño al ser humano (depósito de gasolina o gas, tuberías, etc.).

Las pruebas de escape más utilizadas son:

Por ultrasonidos: este ensayo se aplica en la detección de fugas de gas en líneas de alta presión. El gas produce al escaparse una señal ultrasónica que se puede detectar.
Por burbujeo: se basa en la liberación de aire o gas de un contenedor cuando éste se encuentra sumergido en un líquido. Se emplea frecuentemente en instrumentos presurizados, tuberías y recipientes. Es una prueba más pronto cualitativa que cuantitativa.
Por medida de presión: se utiliza para determinar si existen flujos de escape aceptables, si existen condiciones peligrosas y para detectar componentes y equipos defectuosos. Se puede obtener una indicación de escape relativamente exacta al conocer el volumen y presión del sistema (manómetro).

La selección del método a utilizar se basa en el tipo de escape a detectar, el tipo de servicio del componente en cuestión y el coste de la prueba. En cualquier caso es necesario que el personal que las realice esté calificado.

Emisión Acústica

Uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y de gran aplicación en la inspección de una amplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA). Éste método detecta cambios internos en los materiales: crecimiento de grietas, fractura de los productos de corrosión, deformación plástica, etc. La detección de estos cambios mediante EA se basa en que, cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido) que se detectan mediante el uso de sensores piezoeléctricos instalados en la superficie del material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos que se envían a un sistema de adquisición y análisis de datos. La inspección de tanques atmosféricos de almacenamiento, recipientes a presión, tuberías, puentes, reactores, etc., son sólo algunos ejemplos de las numerosas aplicaciones que posee el método de EA. Es importante mencionar que el método de EA, sólo indica áreas con actividad acústica asociada con la presencia de discontinuidades y no proporciona información sobre el tipo, dimensiones y orientación de la discontinuidad que genera esta actividad acústica. Por tanto este método es necesario complementarlo con otros métodos de inspección. Primero, con el método de EA se detectan aquellas áreas con actividad acústica significativa y, posteriormente. se aplica algún otro método no destructivo como el ultrasonido o las partículas magnéticas, y se obtiene el detalle de la discontinuidad que genera esta actividad acústica.

Pruebas de Infrarrojos – Termografía

La Termografía Infrarroja (TI) se basa en la detección de áreas calientes o frías. La radiación infrarroja se transmite en forma de calor mediante ondas electromagnéticas a través del espacio. De esta forma, mediante el uso de instrumentos capaces de detectar la radiación infrarroja, es posible detectar discontinuidades superficiales y sub-superficiales en los materiales. Generalmente, en la técnica de TI se utiliza una cámara que proporciona una imagen infrarroja (termograma), en el que las áreas calientes se diferencian de las áreas frías por diferencias en tonalidades. Como ejemplo, podemos observar la termografía de abajo, en la que los tonos amarillos y rojizos representan las áreas calientes y los tonos azules y violetas representan las áreas frías. La técnica de TI ofrece grandes ventajas: no se requiere contacto físico, la prueba se efectúa con rapidez incluso en grandes áreas. El personal que realiza las pruebas debe estar calificado.