Ensayos No Destructivos (END)

Los Ensayos No Destructivos (END) son métodos de ensayo que se realizan sin producir marcas ni destruir el material. Se utilizan en la inspección de materiales, tanto en su proceso de fabricación como una vez puestos en servicio.

Ensayos de Control de Defectos

Estos ensayos detectan imperfecciones en la superficie o en el interior de los materiales, tanto en su proceso de fabricación como durante su funcionamiento. Son una fase previa a ensayos más complicados y son los más empleados por su sencillez, rapidez y economía de aplicación. El procedimiento consiste en iluminar el objeto a inspeccionar con luz e inspeccionarlo mediante visión ocular directa, visión ocular utilizando medios auxiliares (ej: microscopio) y medios artificiales (ej: captadores fotoeléctricos).

Ensayos por Partículas Magnéticas

Se emplean campos magnéticos para detectar discontinuidades e impurezas superficiales y sub-superficiales en metales ferromagnéticos mediante un método visual donde queda definida la longitud y anchura de la discontinuidad en la pieza. Se utilizan en la inspección de soldaduras en depósitos y equipos a presión, piezas para industria metalúrgica naval, aeronáutica y automoción.

Campo de fuga o líneas de fuga: Si existe una discontinuidad en la superficie de la pieza cuyo plano sea perpendicular a las líneas de fuerza, estas tenderán a salvarlas como un obstáculo, produciendo una distorsión en las líneas de fuerza que se ven obligadas a salir al exterior.

Etapas del Ensayo por Partículas Magnéticas

1. Magnetización de la pieza: Se aplica corriente para magnetizar la pieza en diferentes direcciones y detectar posibles discontinuidades.
2. Aplicación de partículas magnéticas: Se utilizan limaduras de Fe o FeO coloreadas (verdes, rojas, fluorescentes). Puede hacerse por:
   • Vía seca: Usa aire como medio sustentador. Limpio y cómodo, pero menos sensible a defectos pequeños.
   • Vía húmeda: Usa un disolvente, agua o aceite. Es más rápido, sensible y facilita la movilidad de las partículas.
3. Observación y anotación: Se inspeccionan las partículas acumuladas en las discontinuidades con luz blanca o luz ultravioleta.
4. Desmagnetización de la pieza: Se invierte la polaridad para eliminar la magnetización residual y evitar que la pieza atraiga partículas no deseadas que podrían dañarla o afectar su funcionamiento.

Equipos Utilizados

• Yugos magnéticos: Portátiles, con electroimán y brazos fijos o articulados.
• Equipos de bancada: Adaptados al tamaño de la pieza y producción, pueden ser grandes.
• Portátiles de electrodos: Más pesados que los yugos, requieren buen contacto con la pieza.

Ensayos de Líquidos Penetrantes

Se usa para detectar defectos superficiales en materiales no porosos, eliminando previamente pintura, óxido o recubrimientos. Se aplica un líquido penetrante que se introduce en las grietas por capilaridad, luego se elimina el exceso y se añade un revelador que extrae el líquido de las discontinuidades, permitiendo su detección visual. Es una técnica sencilla que no precisa aparatos complicados ni costosos, usada en procesos de mecanizado y en piezas en servicio.

Etapas del Ensayo de Líquidos Penetrantes

1. Limpieza de la pieza: Se eliminan suciedad, aceites y óxidos para garantizar la efectividad del ensayo.
2. Aplicación del líquido penetrante: Se aplica por pulverización, inmersión o brocha, permitiendo que penetre en las discontinuidades. El líquido debe ser visible (rojo o fluorescente) y cumplir la estabilidad y facilidad de eliminación de la superficie.
3. Limpieza intermedia: Se retira el exceso de líquido sin afectar el que quedó en los defectos con agua o disolventes. Se seca la pieza sin usar papel absorbente.
4. Aplicación del revelador: Se aplica un polvo fino (ej: yeso) que absorbe el líquido de las grietas haciéndolas visibles. Se deja actuar 30-60 segundos.
5. Inspección visual y limpieza final: Se identifican los defectos y se limpia la pieza tras el ensayo.

Ensayos de Pruebas Radiológicas

Permiten detectar defectos internos en materiales según su transparencia a la radiación. Se pueden identificar defectos tridimensionales mayores al 3% del espesor de la pieza.

Tipos de Radiación

• Rayos X: Generados por tubos electrónicos con energía eléctrica.
• Rayos Gamma: Origen nuclear, emitidos por elementos radiactivos.

Ambos son radiaciones electromagnéticas de alta energía y capacidad de penetración. La radiactividad es la emisión espontánea de radiación alfa, beta y gamma, medida en Becquerels (Bq). Las fuentes de rayos X y las de rayos gamma son peligrosas y precisan medidas de seguridad durante su uso. Las fuentes gamma se guardan encapsuladas en gammagrafos.

Parámetros a cuidar: características de la fuente empleada, absorción de la pieza (espesor), películas radiográficas empleadas, factores geométricos, calidad radiográfica, cálculo del tiempo de exposición, técnica empleada e interpretación radiográfica.

Radiografía: Un haz de rayos X o gamma crea una imagen en un material sensible, donde las áreas que dejan pasar más radiación aparecen oscuras y las opacas, claras. La imagen presenta una penumbra geométrica debido a bordes no perfectamente nítidos.

Ensayos de Emisión Acústica y Ultrasonidos

En el ensayo por ultrasonidos, un equipo genera y recibe ondas de alta frecuencia que se reflejan al encontrar cambios en el material. La distancia recorrida por las ondas se calcula según el tiempo de retardo y la velocidad de propagación del material. Detectan imperfecciones en soldaduras, piezas fundidas y forjadas, caracterización de materiales y medidas de espesores. El método de emisión acústica detecta grandes defectos internos al golpear un objeto y analizar las notas sonoras alteradas por imperfecciones.

Las ondas ultrasónicas son ondas sonoras de alta frecuencia que detectan defectos superficiales e internos. Requieren un medio para propagarse, no funcionan en el vacío y son comunes para inspecciones no destructivas debido a su economía y seguridad.

Equipos de Ultrasonido

• Generador de alta frecuencia: Convierte impulsos eléctricos en ondas ultrasónicas.
• Piezoelectricidad: Propiedad de cristales como el cuarzo de convertir energía eléctrica en vibraciones.
• Palpador: Emite y recibe ondas ultrasónicas, puede ser normal, angular o de doble cristal.
• Medios acoplantes: Sustancias (aceite, agua, gelatina) que facilitan la transmisión de ondas.
• Amplificador: Convierte ondas acústicas en señales eléctricas amplificadas.
• Osciloscopio: Muestra gráficamente las señales eléctricas y su variación en el tiempo.

Etapas del Ensayo por Ultrasonidos

1. Estudio de la pieza: Geometría, material, estado superficial.
2. Elección del tipo de palpador: Frecuencia, secuencia de barrido.
3. Aplicación del medio acoplante más adecuado.
4. Calibración del equipo: Calibrar el equipo con piezas patrón del mismo material a ensayar.
5. Realización del ensayo: Haciendo un registro de los datos obtenidos.

Proceso

Conforme la onda sonora penetra en el material sometido al ensayo, parte de ella se refleja y aparece como una señal en la pantalla del osciloscopio. Cuando la onda sonora alcanza el otro lado del material, se refleja y aparece como otra señal en la pantalla. La distancia entre estas dos señales será el espesor del material. Si hay imperfección entre las superficies frontal y posterior del material, se verá en la pantalla una tercera señal entre las dos anteriores.

Ensayo de Dureza Rockwell

El ensayo de dureza Rockwell mide la resistencia de un material a la penetración bajo una carga determinada. Primero se aplica una carga inicial ligera para asentar el indentador, después se aplica otra carga principal mayor para causar la penetración del indentador. Finalmente se retira la carga principal. Este ensayo mide la huella dejada por el indentador para determinar la dureza del material, que depende de la profundidad de la penetración.

Metalografía

Etapas de la Preparación de Probetas Metalográficas

1. Corte o Seccionado

   Tomar una zona representativa de la pieza a ensayar. Cortar una probeta de tamaño adecuado (2-3cm). Corte con cortadora metalográfica: disco abrasivo refrigerado. El corte produce una deformación plástica en el material, desde la superficie hasta una determinada profundidad. La profundidad de la capa deformada depende de: material, sistema y velocidad de corte, alimentación de la cortadora, del tipo y cantidad de fluido refrigerante.

   La refrigeración del material durante la realización del corte es fundamental, ya que genera calor que puede deformar la estructura de la muestra, afectando a la microestructura y dando resultados erróneos en el análisis. El corte se puede realizar de diferentes formas, siendo el más empleado la abrasión con discos abrasivos. Las partículas abrasivas de los discos son partículas de material duro (cerámico), que actúan como pequeñas cuchillas; las partículas abrasivas están unidas al disco con un ligante.

   Tipos de Discos Abrasivos

   • Materiales férreos: Alúmina o corindón
   • Materiales no férreos: Carburo de silicio
   • Materiales duros, aceros: Diamante

2. Montaje, Embutición o Empastillado

   Se realiza en piezas pequeñas o con formas raras (tornillos, alambres) para facilitar las operaciones posteriores o proteger los bordes de las muestras. Consiste en embutir la probeta en una resina endurecida, termoplástica o termoestable. La resina tiene que tener las siguientes propiedades:

   • No debe disolverse en alcohol, benceno o xileno.
   • Debe tener una dureza que después del pulido, la muestra esté al mismo nivel que el material de engaste.
   • No debe ser frágil ni quebradizo.
   • Debe tener buena adherencia con la muestra, para que no haya huecos o grietas entre ellos donde puedan acumularse materiales abrasivos, reactivos limpiadores o reactivos de ataque.

   Tipos de Montaje

   • Montaje en frío: Se emplean resinas que se obtienen mezclando resina, activador y endurecedor. Se deja endurecer la resina a temperatura ambiente. Estas mezclas fluyen a temperatura ambiente y endurecen en un tiempo más o menos corto. Método sencillo y muy económico.
   • Montaje en caliente: La probeta se prepara en prensas metalográficas de montaje manuales o automáticas. Se obtiene mejor calidad de probetas. Se introduce la resina polimerizable a presión y calor, en forma de granos en el molde de la prensa y se somete a presión de 200 ATM y temperaturas de 80-90ºC. Las resinas que se emplean son epoxi y acrílica.

3. Desbaste y Pulido

   Estas operaciones tienen como objetivo eliminar al máximo la capa dañada y obtener finalmente una superficie lisa y con brillo especular.

   • Desbaste: Pre-pulido que consiste en lijar la superficie con lijas de diferente tamaño de grano, de forma que una determinada lija elimine la distorsión (capa dañada) de la anterior. Material abrasivo: Carburo de silicio. Girar la probeta 90º al cambiar de lija para eliminar las rayas anteriores. El tiempo no es sólo el necesario para eliminar las rayas anteriores y la capa distorsionada introducida anteriormente. Durante el desbaste se emplea agua por lubricación, refrigeración y arrastre de residuos.
   • Pulido y Pulidoras: Las pulidoras son de plato giratorio, las hay completamente automatizadas, con brazos portamuestras y con regulación de la presión de pulido. Sobre el plato se dispone la lija (desbaste) o el paño (pulido). El objetivo del pulido es obtener una superficie con brillo especular, sin rayas visibles al microscopio óptico y sin otro tipo de defectos. Paños de pulido mecánico: Material abrasivo que se añade en forma de suspensión acuosa o en forma de pasta sobre el paño de pulido: ALÚMINA O PASTA DE DIAMANTE de diferentes tamaños de grano.

Pulido electrolítico: La muestra se introduce como ánodo (oxidación) en un electrolito. El paso de una corriente eléctrica hace que las “colinas” se disuelvan más rápidamente que los “valles” igualando las superficies en pocos segundos. Se utiliza cuando se van a realizar microdurezas, cuando hay que preparar muchas muestras o con sustancias difíciles de pulir. Al final del pulido la muestra debe ser lavada en agua y todo agente de pulido retirado de la muestra mediante el uso de algodón hidrófilo con alcohol etílico. Después se seca con aire caliente salvo en las muestras porosas o agrietadas en las que se emplea aire frío.

4. Ataque Químico

   Consiste en mojar la superficie pulida con un determinado reactivo. Revela la microestructura del material, las zonas que más sufren el ataque son los bordes de grano. Las zonas atacadas se observan oscuras ya que no reflejan los rayos de luz adecuadamente. Productos selectivos para atacar a las fases. Observación inicial sin ataque de la probeta para asegurar que la superficie está suficientemente acondicionada. Apropiada para el estudio de porosidad, grietas…

   Procedimientos

   • Por inmersión.
   • Cubriendo la superficie con unas gotas.
   • Mojado de la superficie por el paso de un algodón humedecido en el reactivo.
   • Electrolíticamente.

   Después del ataque hay que lavar con agua y luego limpiar con alcohol etílico, finalmente un secado con aire caliente o frío.

5. Microscopía

   Para observar microestructura.

   • Microscopio Óptico: Materiales opacos (metales, polímeros, algunas cerámicas), sólo se observa la superficie y la luz debe usarse en reflexión. La luz incide sobre la superficie desde un espejo colocado a 45° respecto al haz de luz incidente y es reflejada perpendicularmente en el objetivo. Los granos atacados tienen diferentes orientaciones cristalográficas, los límites de grano son más reactivos, se disuelven con mayor velocidad y reflejan la luz con un ángulo distinto al de los granos.
   • Microscopía Electrónica: Para observar microestructuras más pequeñas. La imagen se genera utilizando haces de electrones en vez de radiación lumínica. Un e- alta velocidad se comporta como una onda con λ inversamente proporcional a su velocidad. Los e- se aceleran por altos voltajes. Menor λ, mayor poder de resolución. Lentes magnéticas focalizan el haz de e- y forman la imagen. La muestra debe ser conductora (para que interaccionen los e-) si no lo es, hay que recubrirla de una capa de átomos metálicos.
   • Microscopía Electrónica de Transmisión (Microscopio TEM): La imagen se genera por un haz de e- que atraviesa la probeta. Se observan detalles de microestructura interna. Los contrastes de imagen se obtienen por diferencias del haz refractado o dispersado. La probeta debe ser muy delgada. El haz transmitido se proyecta en una pantalla fluorescente o película fotográfica. Estudios de dislocaciones. Un millón de aumentos.
   • Microscopía Electrónica de Barrido (Microscopio SEM): La superficie de la probeta se barre con un haz de e- y el haz reflejado se recoge y se muestra a la misma velocidad de barrido en un tubo de rayos catódicos. La imagen que aparece en pantalla puede fotografiarse y representa las características de la probeta. Superficie debe ser eléctricamente conductora.

Interpretación de las estructuras:

• Constituyentes presentes en cada probeta.
• Control de tratamientos térmicos.
• Tamaño y forma de los granos.
• Defectos microscópicos: porosidades, grietas…
• Corrosión intergranular.
• Naturaleza de las microinclusiones no metálicas.
• Capas superficiales cementadas o nitruradas.