Curso de Inspector de Soldadura 10_ensayos Destructivos_20120302

10 - Ensayos destructivos 1

ENSAYOS DESTRUCTIVOS


Las propiedades mecánicas pueden definirse como aquellas que tienen que ver con el comportamiento de un material bajo la aplicación de fuerzas.Las propiedades mecánicas se expresan en términos de cantidades que son función del esfuerzo, la deformación o ambas.Los ensayos mecánicos determinan las propiedades mecánicas.Las propiedades mecánicas de intereses en construcciones soldadas son:

1- Resistencia;

2- Elasticidad;

3- Ductilidad;

4- Tenacidad.

La soldadura afecta fuertemente la microestructura de los materiales a unir y por ende las propiedades mecánicas se ven afectadas.


1- Resistencia

La resistencia de un material se mide por el esfuerzo según el cual se desarrolla alguna condición limitativa específica, que puede ser la terminación de la acción elástica o la ruptura.

2- Elasticidad

Capacidad de un material para deformarse con la aplicación de un esfuerzo, y recuperar su forma primitiva una vez que se retira la acción del mismo.

3- Ductilidad

Capacidad de un material de deformarse plásticamente por aplicación de cargas sin que ocurra la ruptura.

4- Tenacidad

Es la capacidad de un material para absorber energía en el proceso de deformación y fractura.


Los ensayos físicos que se utilizan con mayor frecuencia en las uniones soldadas, para determinar algunas de estas propiedades, son:

- ensayo de tracción;- doblado (plegado);- ensayos de fractura del metal de soldadura;- impacto;- fractotenacidad;- dureza;- macrográficos

Dichos ensayos son los utilizados por la mayoría de los Códigos y Normas utilizados en el campo de la soldadura, para efectuar la Calificación de Procedimientos de Soldadura y de Soldadores. Estos ensayos permiten determinar la sanidad y conveniencia de una unión soldada, tanto desde su punto de vista metalúrgico, mecánico e ingenieril.Mediante la aplicación de conceptos de fractotenacidad pueden evaluarse desviaciones en las uniones soldadas desde el punto de vista de la integridad de la construcción soldada.


Ensayo de tracción(tensile test)

Este ensayo se emplea ampliamente para obtener una información básica sobre la resistencia mecánica de los materiales.En este ensayo se somete la probeta a una fuerza de tracción monoaxial, que va aumentando en forma progresiva, y se van midiendo simultáneamente los correspondientes alargamientos. Con los datos de cargas y alargamientos obtenidos, se construye una curva tensiones –deformaciones convencional.

10 - Ensayos destructivos 6Diagrama Tensión - Deformación


Diagrama tensión – deformación convencional

Comparación acero estructuralcon acero alta resistencia

10 - Ensayos destructivos 8Esquema general probeta de tracción según IRAM –IAS U 500 102-1

d = diámetro de la sección transversal en la zona calibradaL0 = longitud de referencia inicialLc = longitud de zona calibradaS0 = área de la sección inicial transversal de la zona calibradaSu = área mínima de la sección de la probeta luego de la rotura

Lu = longitud de referencia finalLt = longitud totala = espesorb = ancho

10 - Ensayos destructivos 9Probeta de tracción de metal de soldadura (AWS)

Probeta de tracción de sección reducida (AWS)


Resistencia a la tracción (R)(tensile strength or ultimate tensile strength, UTS or Su)

La resistencia a la tracción del material es el cociente obtenido al dividir la carga máxima alcanzada en el ensayo de tracción (Fm) por el área de la sección transversal inicial (S0) de la probeta.

0

m

SF

R =

Donde:

R = resistencia a la tracción, MPaFm = carga máxima, NS0 = área de sección transversal inicial de la probeta, mm2

Otras unidades de R pueden ser psi, ksi


Límite convencional de fluencia (Rp)(specified offset yield strength, YS or Sy)

Es la tensión (fuerza/área de sección inicial) que corresponde a un alargamiento porcentual no proporcional especificado (en general 0,2%).El símbolo usado para esta tensión se completa con un subíndice que indica el porcentaje preestablecido

0

0,002ep0,2 S

FR =

=

Donde:

Rp0,2 = límite convencional de fluencia para un alargamiento porcentual noproporcional de 0,2%, MPaFe=0,002 = fuerza correspondiente a un alargamiento unitario no proporcional de 0,002, NS0 = área de la sección transversal de referencia inicial, mm2

Otras unidades de Rp pueden ser psi o ksi


Alargamiento porcentual de rotura (A)(elongation at fracture, El)

Es una indicación de la ductilidad del material. El tanto por ciento de alargamiento de rotura es la relación entre el aumento de la longitud de la distancia entre puntos de la probeta y su longitud original, expresada en tantos por ciento.

u0

0u 100eL

LL100A =

−

=

Donde:Lu = longitud de referencia final, mmL0 = longitud de referencia inicial, mmeu = alargamiento unitario a rotura

Se determina uniendo los trozos de la probeta luego de la fractura y midiendo la variación sufrida por la distancia entre puntos. Esta distancia es un dato que debe acompañarse siempre al expresar los valores de A. A depende de la longitud de referencia inicial, L0.



Estricción (Z)(reduction of area)

Es otra medida relacionada con la ductilidad del material. La estricción se define como la relación entre la reducción máxima del área de la sección transversal de la probeta S0-Su, y el área de la sección original, expresada en por ciento:

100S

SSZ

0

u0.

−

=

Donde:

S0 = área de sección transversal inicial de la probeta.

Su = área mínima de la sección de la probeta luego de la rotura


Probeta de tracción para soldadura de tubos de pequeño diámetro (ISO)


Ensayo de doblado (plegado)(bend test)

Tiene por objeto evaluar la ductilidad y/o la ausencia de imperfecciones en uniones soldadas.Existen diferentes modalidades:

- plegado transversal;- plegado longitudinal;- plegado de raíz;- plegado de cara;- plegado de lado o lateral;- plegado guiado;- plegado libre.


Ensayo de plegado transversal

– Se usan para calificar Procedimientos de Soldadura y Soldadores;

– revelan la presencia de discontinuidades que pueden no ser detectadas en los ensayos de tracción;

– es sensible a la resistencia relativa del metal de soldadura, ZAC y metal base;

– detectan fisuras o defectos de tipo planar en la soldadura o ZAC, que se orientanparalelas el eje de la soldadura (fusión incompleta o falta de penetración);

– solo se evalúa la superficie de la probeta sometida a esfuerzos de tracción.


Probeta de plegado transversal (API)


Ensayo de plegado longitudinal

– Se usan para calificar Procedimientos de Soldadura y Soldadores;

– revelan la presencia de discontinuidades que pueden no ser detectadas en los ensayos de tracción;

– solo se evalúa la superficie de la probeta sometida a esfuerzos de tracción;

– se aplica solo cuando existe una marcada diferencia en las propiedades mecánicas de ambos elementos soldados.


Probeta de plegado longitudinal (ASME IX)


Variantes de los ensayos de plegado

Plegados de raíz.

La probeta deberá plegarse de manera tal que la raíz de la soldadura sea la parte de la probeta que quedará traccionada.

Plegados de cara

La probeta deberá plegarse de manera tal que la cara, o parte superior de la soldadura sea la parte de la probeta que quedará traccionada.

Plegados de lado

La probeta será plegada lateralmente (en todo su espesor), de manera tal que toda la unión es sometida a esfuerzos de tracción. Se utiliza para el ensayo de espesores importantes, en general mayores a 10-12 mm (3/8-1/2 in.).


Diferentes tipos de plegados transversales


Puntos a observar por inspectores en las probetas de plegado

- los bordes deben ser redondeados;

- el dispositivo de doblado debe ser lubricado para prevenir esfuerzos sobre la probeta;

- el radio de doblado depende de la aleación a ser ensayada y de las dimensiones de la probeta.

Resultados

- se observará visualmente la cara convexa de la probeta;

- la norma de fabricación indicará el tamaño y tipo de defectos aceptables ;

- si la fractura se produce con ángulo menores a 180°, se anota el ángulo de fractura;

- las pruebas de doblado de cara o de raíz exponen defectos en cara o raíz respectivamente;

- las probetas de doblado de lado exponen defectos internos de una soldadura.


Probeta plegado lateral (API)


Dispositivo de plegado (API)


Dispositivo de plegado guiado (ASME)


Ensayo de Nick Break

Se trata de un ensayo de uniones soldadas contempladas en la norma API 1104.

Es un ensayo de tipo cualitativo, ya que no se obtienen datos numéricos de esteensayo.

La función del mismo es la determinación de la sanidad de la unión soldada.

Este ensayo consiste en forzar la rotura de la soldadura, generalmente mediantela confección de entallas sobre el cordón soldado, de manera de dejar expuestael interior de la soldadura.

La evaluación consiste en un examen visual en busca de defectos internos, talescomo inclusiones de escoria, poros, faltas de fusión, fisuras, etc.

Está contemplada la realización de este ensayo tanto para las soldaduras a tope,como para las soldaduras de filete y conexión.

10 - Ensayos destructivos 28Probeta Nick Break (Tope)


Probetas de filete y derivación


Evaluación de Nick Break


Fractura de filete

Este ensayo es de carácter cualitativo, y es requerido por algunas normas para lacalificación de procedimientos de soldadura y soldadores.El mismo tiene por objeto determinar la capacidad del filete de plegarse sobre simismo sin romperse (a causa de defectos internos).También se acepta que el filete fracture, a consideración que el mismo en un análisisposterior no muestre defectología interna.

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Ensayo Charpy a la flexión por impacto

También denominado ensayo de choque, de flexión por impacto o ensayo de resiliencia.

Objeto

- determinar el cambio en el modo de la fractura (dúctil – frágil) de un material en función de la temperatura;- determinar la energía absorbida a una determinada temperatura.

- Materiales dúctilesPresentan deformación (contracciones laterales) luego de la rotura, con importante absorción de energía en la misma. Presenta superficies de fractura ásperas y fibrosas.

- Materiales frágiles No presentan deformación y absorben poca energía. Presentan una superficie de fractura lisa y brillante.

- Fractura mixta dúctil- frágilPresenta área frágil en el centro de la sección transversal.


― Fractura dúctil (coalescencia de micro-huecos)

― Fractura frágil (clivaje)

− bajas temperaturas− alto estado triaxial de tensiones− cargas dinámicas

Fractura dúctil-frágil en materiales metálicos

� Fractura controlada por deformación� Gran deformación plástica en la fractura

� Fractura controlada por tensión� Poca deformación en la fractura


Ensayo de flexión por impacto Charpy

La probeta Charpy es de sección transversal cuadrada y tiene en el centro una entalla. La forma de la entalla y su profundidad puede ser muy variada, aunque actualmente se generaliza el empleo de la forma en V. La probeta Charpy, se apoya horizontalmente por sus dos extremos como una viga, y la carga se aplica por el choque de un péndulo pesado, cuyo impacto se produce, a una velocidad del orden de los 5 m/s, sobre el punto medio de la viga y por el lado opuesto a la entalla.


Ensayo de flexión por impacto Charpy V

R2 = 2 a 2,5

R1 = 1 a 1,5 R1 = 1 a 1,5

40

55

R = 0,25

30º

45º

2

20 20

1:5 1:5

10

8

10

ancho de laprobeta normal

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Energía potencial inicial

Energía absorbida por la probeta

Exceso de energía

Golpe del martillo( ~ 5 m/s)

Altas temperaturasBajas temperaturas

• Entalla• Cargas dinámicas• Bajas temperaturas

Ensayo de flexión por impacto Charpy V



La respuesta de la probeta al ensayo de impacto se mide usualmente por la energía absorbida por la probeta en la rotura (KV o Cv). Esta energía se expresa en unidades de libras-pie (lb-ft) en los países anglosajones, y en Joules (J) según la normativa internacional. Es frecuente que se suplemente la información de energía absorbida con alguna medida de la ductilidad como ser el tanto por ciento de contracción de la entalla. Es muy importante examinar las superficies de fractura para determinar los porcentajes correspondientes a fractura de tipo fibrosa (dúctil, fractura por cizallamiento), o granular (frágil, fractura por despegue). Este porcentaje se utiliza en algunos casos como medida adicional de evaluación del ensayo.

A

B


DÚCTIL

FRÁGIL


Temperatura de transición

La temperatura a la cual la probeta fracturada durante el ensayo de impacto presenta una superficie de fractura mitad frágil y mitad dúctil. Esta temperatura también puede ser la temperatura a la cual la energía absorbida es de 10 a 15 libras-pie (13,5 a 21 Joules).También se puede definir como la temperatura a la cual se corresponde con una fractura con el 1% de contracción lateral en la entalla.

10 - Ensayos destructivos 41Temp., ℃B

rittle

frac

ture

su

rfac

e ra

tio, %

100

50

vTs

Temp., ℃Lower shelfenergy

Upper shelf energy

vEshelf

vTE

Abs

orbe

d en

ergy

, J

vTE : Temperatura de transición según energía absorbida

vTS : Temperatura de transición según supeficie de fractura

Bajas vTE, vTs

Mejor Tenacidad


Probetas

Como ya se ha indicado, la probeta normal para el ensayo Charpy, son aquellas con una sección cuadrada de 10 X 10 mm.Las normas que solicitan este tipo de ensayos (por ejemplo el Código ASME), contemplan la posibilidad de utilizar probetas sub-size, es decir de dimensiones menores y no necesariamente de sección cuadrada. Ello se debe a que no siempre se puede contar con espesores de material suficiente como para utilizar probetas normalizadas.

Procedimiento

- las probetas sometidas a un baño líquido a la temperatura de ensayo requerida;

- la probeta será fracturada dentro de los 5 segundos de sacada del baño líquido;

- los equipos de impacto deben estar calibrados con patrones.

10 - Ensayos destructivos 43Una gran debilidad del ensayo Charpy es que los resultados dependen fuertemente del tamaño de la probeta


Ensayo de dureza(hardness test)

Mide la resistencia a la deformación por penetración. El resultado del ensayo es la dureza del material.Su valor es afectado por:

- composición química del metal;- efectos metalúrgicos del proceso (tamaño de grano, precipitados, etc)- deformaciones en frío;- tratamientos térmicos.

Existen varios métodos:- Brinell;- Rockwell;- Vickers;- Knoop;- Shore

Se diferencian en el tipo de penetrador y/o en la indicación medida (profundidad o tamaño de la impresión producida)


Método de ensayo de dureza Brinell

Consiste en comprimir sobre la superficie del metal una bolilla de acero de diámetro D con una carga P durante un tiempo t.Para materiales duros se emplea una bolilla de carburo de tungsteno (HBW). La carga se aplica durante un tiempo normalizado, en general 30 s, y después de eliminar la carga, se mide el diámetro de la impresión con un microscopio de pocos aumentos. La cifra de dureza Brinell (HB), es el resultado de dividir la carga P por el área superficial de la impresión. Se emplea la fórmula:

)dDπD(D

2FHB

22−−

=

F = Carga aplicada, kgfD = Diámetro de la bolilla, mmd = Diámetro de la impresión, mm


Ventajas del método Brinell

- Se obtiene valores sobre áreas grandes reduciendo el efecto de rayas, imperfecciones o inhomogeneidades del material.

- Para aceros al carbono y de baja aleación, se correlaciona bien la resistencia a la tracción (R) con la dureza Brinell:

Desventajas del método Brinell

- No está adaptado para materiales muy duros, se recomienda utilizar este método hasta dureza HB450.

- No se pueden ensayar piezas muy delgadas.

- Es difícil hacer determinaciones en juntas soldadas por el diámetro de la bola.

R [MPa] = 3,4 HB


Método de ensayo de dureza Rockwell

El ensayo utiliza la profundidad de penetración, bajo carga constante, como medida de dureza. Primero se aplica una carga de menos de 10 kgf para asentar la probeta. De esta forma no es necesaria una preparación previa de la superficie, y se aminora la tendencia al rebordeado o hundimiento por el penetrador.Después se aplica la carga máxima automáticamente y luego de eliminar esta, y siempre bajo la carga menor de 10 kg, se mide la profundidad alcanzada en la penetración bajo carga máxima. Esta medición se hace en forma automática. Como penetradores se emplean:

- un cono con punta de diamante, con 120°de ángulo en el vértice (escala C);- bolillas de acero de 1/16 y 1/8 de pulgada (escala B).

Como la dureza Rockwell depende de la carga y el penetrador, es necesario especificar siempre la combinación empleada. Sin la letra de la escala correspondiente la cifra Rockwell carece de significado. La escala C utiliza penetrador de diamante y carga máxima de 150 kgf. Para materiales blandos se utiliza la escala B, que emplea bola de acero y carga de 100 kgf. Para usos especiales se dispone de otras muchas escalas.


Condiciones del ensayo

- penetrador y yunque deben estar limpios y bien asentados;- la superficie a ensayar debe estar limpia, lisa y libre de óxidos;- la superficie debe ser plana y perpendicular al penetrador;- los ensayos sobre superficies cilíndricas dan indicaciones más bajas;- no se debe provocar marcas en la cara opuesta de ensayo;- se recomienda espesor de probeta de por lo menos 10 veces la profundidad de la impresión;- las impresiones deben estar separadas entre sí de tres a cinco veces su diámetro

por lo menos.

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Método de ensayo de dureza Vickers

En este ensayo se emplea como penetrador una pirámide de diamante de base cuadraday ángulo entre caras de 136°. Se emplea como símbolo de la dureza la iniciales HV.La dureza Vickers, se define como la relación de la carga al área de la superficie de la impresión. La ecuación que define la dureza Vickers es entonces:

2dF

1,854HV =

Donde:F = carga aplicada en kgf;d = media de la longitud de las dos diagonales (d’ y d’’) en mm.


Este ensayo cuenta con la ventaja que para una sola carga, basta una sola escala de dureza para incluir desde los metales mas blandos con 5 HV, hasta los metales de 1500 HV. Las cargas que se emplean dependen de la dureza del metal a ensayar, y pueden oscilar entre 1 y 120 kgf.

Ventajas del método

- se puede hacer una lectura más exacta de la diagonal de un cuadradoque del diámetro de un círculo;

- se puede usar en espesores muy pequeños como 0,152 mm;- método rápido;- hasta valores de dureza de 300 Brinell los números Vickers y Brinell son idénticos.

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Examen metalográfico

Se usa para determinar:

- sanidad de la soldadura;

- distribución de inclusiones no metálicas;

- número de pasadas;

- extensión de la ZAC;

- estructura metalúrgica del metal base, de la ZAC y de la zona de fusión;

- localización y espesor de la penetración de soldadura;

- geometría de la soldadura.

Estos tipos de ensayos pueden involucrar desde una mera inspección visual, en cuyo caso el ensayo es llamado macro análisis, donde las probetas son atacadas químicamente para poner de manifiesto una estructura metalúrgica vasta, y es examinada a ojo desnudo o con poca magnificación; o pueden involucrar una examinación microscópica, en cuyo caso el ensayo es llamado micro análisis, donde las muestras se preparan y atacan químicamente para una examinación a grandes magnificaciones.



Examen macrográfico (macro test)

Para el análisis macroscópico de muestras de acero al carbono o de baja aleación, la superficie a examinar puede ser preparada por alguno de los siguientes métodos:

- sin requerimientos de terminación superficial, se coloca la probeta en una solución caliente de 50% de ácido clorhídrico en agua, hasta que se obtenga una definición clara de la macro estructura de la soldadura. Esto requerirá aproximadamente media hora de inmersión.

- pulir la probeta con papel esmeril, y atacar con una solución de una parte de persulfato de amonio y nueva partes de agua (por peso). La solución se usa a temperatura ambiente y se aplica sobre la superficie de la muestra, hasta que se revele claramente la macro estructura de la soldadura.

Luego de ser atacadas, las probetas son lavadas con agua limpia, y luego con alcohol etílico y secadas.

Las especificaciones bajo las cuales se realizan las soldaduras, definirán el tipo, tamaño y número de imperfecciones permitidas.



Documentos de referencia

− Ensayos mecánicos en general:

− BPVC ASME Sec. IX; Qualification standard for welding and brazingprocedures, welders, brazers, and welding and brazers operators; 2010

− API 1104; Welding of Pipelines and Related Facilities; 2008− ASM Handbook; Mechanical testing and evaluation, Vol. 8; 2000− ASTM A 370; Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing

of Steel Products; 2011− ASTM E 6; Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing;

2009− AWS B4.0; Standard methods for mechanical testing of welds; 2007− AWS D1.1; Structural welding code – steel; 2010− Callister W.; Fundamentals of materials science and engineering; Ed. 5; 2001− Dieter, G; Mechanical Metallurgy; SI metric edition; 1988− ISO/IEC Guide 99; International vocabulary of metrology - Basic and general

concepts and associated terms (VIM); 2007− Linnert, G.; Welding Metallurgy – Carbon and alloy steels; Vol. 1; 1994



− Ensayo de tracción

− ASTM E 8; Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials ; 2011

− IRAM-IAS U 500-102-1; Productos de acero, Método de ensayo de tracción, Condiciones generales; 1987

− ISO 6892-1, Metallic materials – Tensile testing at ambient temperature; 2009− ISO 4136, Destructive tests on welds in metallic materials – Transverse tensile

test, 2001

− Ensayo de doblado (plegado)

− ISO 5173, Destructive tests on welds in metallic materials – Bend tests, 2000

− Ensayo de impacto Charpy

− ASTM E 23; Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of MetallicMaterials; 2007

− ISO 9016; Destructive tests of welds in metallic materials, impact test, testspecimen location, notch orientation and examination; 2001



− Ensayo de dureza

− ASTM E 10; Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials ; 2010

− ASTM E 18; Standard Test Methods for Rockwell Hardness of MetallicMaterials; 2008

− ASTM E 140; Standard Hardness Conversion Tables for Metals RelationshipAmong Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness; 2007

− IRAM-IAS U 500-104; Acero, Método de ensayo de dureza Brinell; 1976− IRAM-IAS U 500-105; Acero, Método de ensayo de dureza Rockwell, escalas

B y C; 1976− IRAM-IAS U 500-110; Acero, Método de ensayo de dureza Vickers; 1976

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