• ASSAIG DE MATERIALS • Introducció a l'assaig de materials Els assajos són uns procediments normalitzats que permeten conèixer i mesurar les propietats dels materials, els defectes dels productes elaborats i la resposta que presenten sota determinades condicions de treball. Els assajos destructius consisteix en aplicar un esforç mà xim que pot suportar el material sens trencar-se, i s'han de realitzar en mostres que es diuen provetes. Els més importants són de tracció duresa, resilència i fatiga. Els assajos no destructius són els que no trenquen, deformen o marquen el material, i es realitzen sobre la mateixa peça que haurà de ser muntada. • Assajos de tracció Proporciona molta informació sobre la resistència mecà nica dels materials. Consisteix a sotmetre unes provetes, de formes i dimensions normalitzades, a esforços de tracció que produeixen deformacions en forma d'allargaments, fins que es trenquen. Mà quina per l'assaig de tracció Dibuix acotat d'una proveta Els resultats de l'assaig s'enregistren en un grà fic anomenat diagrama de tracció, i recull els valor d'allargament segons l'esforç. Però s'utilitzen valors corresponents a l'esforç unitari: F Ï = Esforç unitari en N/mm2. Ï = F = Força aplicada en N. Ao Ao = Secció inicial de la proveta en mm2. S. I pascal (Pa) 1 newton (N) 1 newton (N) 1 pascal (Pa) = 1 megapascal (Mpa) = = 106 pascal 1 m2 1mm2 L'allargament unitari es produeix quan tenim dos provetes de diferents longituds, i en la més llarga hi haurem d'aplicar més esforç que en l'altra. Î L ε = Allargament unitari (sense unitats, però es pot en %). ε = Î L = Allargament en mm. Lo Lo = Llargà ria calibrada (inicial de la proveta) en mm. • Diagrama de tracció S'utilitza per determinar les caracterÃ−stiques mecà niques dels materials i es realitza a partir dels assajos de 1

tracció. Diagrama de tracció Zona elà stica Les deformacions són elà stiques, la grà fic en aquesta zona és una recta indica que hi ha una proporció fixa entre l'esforç aplicat i l'allargament obtingut. Aquesta proporció fou descoberta per Robert Hooke i es coneix com la llei de Hooke. El mòdul elà stic o Mòdul de Young és el valor de la constant de proporcionalitat, i es caracterÃ−stic per a cada material. Σ E = mòdul elà stic o mòdul de Young en N/mm2. Llei de Hooke E = Ï = Esforç unitari en N/mm2. Πε = Allargament unitari. El valor del mòdul elà stic es igual a la rigidesa del material. LÃ−mit elà stic à s l'esforç unitari mà xim que pot suportar un material sense que es deformi de manera permanent. L'esforç unitari mà xim que es utilitzat en dissenys d'una peça es coneix com la tensió mà xima de treball. I es calcula: Ï e Ï e = LÃ−mit elà stic del material. Ï t = Ï t = Tensió mà xima de treball. n n = Coeficient de seguretat Zona plà stica Quan sobrepassa el lÃ−mit elà stica a més esforços, augmenta la deformació i sempre serà de carà cter permanent. Com més plà stic es un material més llarga és la zona. Resistència o cà rrega de trencament à s el valor de l'esforç a partir del qual començarà el trencament de la peça, encara que el baixem. En la grà fica a partir d'aquest punt es continua deformant amb esforços menors fins que es trenca. Com més dúctil és un material, més llarga té la zona. Allargament En l'assaig de tracció, la deformació del material sempre és un allargament. Hi ha un valor particular que es el que ha experimentat la mostra just en el moment de trencar-se. I s'expressa: Lf - Lo ε = Allargament en %. ε % = · 100 Lf = Llargà ria final en mm.

2

Lo Lo = Llargà ria inicial o calibrada en mm. • Assajos de duresa L'escala de Mohs : 1.Talc; 2.Guix; 3.Calcita; 4.Fluorita; 5.Apatita; 6. Feldespat; 7.Quars; 8.Topazi; 9.Corindó; 10.Diamant. • Assajos de duresa al ratllat Hi ha l'escala de Mohs i l'assaig Martens. L'assaig Martens consisteix en ratllar una proveta amb un diamant que té forma piramidal i un vèrtex amb un angle de 90º. La ratllada es produeix quan s'aplica un pes constant al damunt del diamant, i després es mesura l'amplada de la ratlla. Si l'amplada de la ratlla es mesura en micròmetres, la duresa Martens es calcula: 10.000 DM = Duresa Martens. DM = L = Amplada de la ratlla en micròmetres (μm). L2 Esquema de l'assaig Martens 90º El diamant es desplaça sobre la proveta i deixa una marca en forma de ratlla Amplada de la ratlla • Assajos de duresa a la penetració S'utilitzen 4, en tots es col·loca un element molt dur anomenat penetrador sobre la superfÃ−cie del material a assajar i se li aplica una cà rrega durant un temps determinat. I estan normalitzats. L'assaig Brinell Utilitza un penetrador d'acer dur en forma de bola. El grau de duresa en aquest cas s'anomena duresa Brinell, s'obté amb l'expressió: F HB = Grau de duresa Brinell en kp/mm2. HB = F = Cà rrega aplicada a la bola en Kp. A A = SuperfÃ−cie de la marca deixada sobre la proveta (mm2). El valor de la superfÃ−cie s'obté: Ï“ · D [D - D2 - d2] D = Dià metre de la bola en mm. 3

A = d = Dià metre de la marca en mm. 2 Normalment, el valor HB s'obté en condicions: Dià metre bola en mm Cà rrega 3.000 kp. Temps: 15s. Marca (vista superior) Esquema de l'assaig Brinell En els materials tous s'utilitzen cà rregues més petites i provetes amb poca gruixura i penetradors de menys dià metre. L'assaig Vickers S'utilitza un penetrador de diamant en forma de pirà mide de base quadrada. Quan es treu es mesura la superfÃ−cie que està marcada en la proveta. El grau de duresa, que en aquest cas s'anomena duresa Vickers, s'obté amb l'expressió: F HV = Grau de duresa Vickers en kp/mm2. HV = F = Cà rrega aplicada en kp. A A = SuperfÃ−cie de la marca sobre la proveta en mm2. La superfÃ−cie es calcula amb: d2 A = d = Valor mitjà de les dues diagonals de la marca en mm. 1,854 136º Esquema de l'assaig Vickers Marca (vista superior) Per mesurar les diagonals es fan servir microscopis, però per no fer cà lculs hi ha grà fics que permeten obtenir directament la HV amb la cà rrega aplicada i el valor mitjà de les diagonals. Aquest mètode esta normalitzat, hi ha dos variables que s'han d'ajustar: 1ª - La cà rrega aplicada. 2ª - El temps de duració. Els més utilitzats són els de 30 kp i 15 s. La duresa es dona en format: XX HV (F, T). XX Grau de duresa Vickers. F Cà rrega aplicada en kp. 4

T = Temps d'aplicació en s. L'assaig Knoop Utilitza un penetrador de diamant en forma de pirà mide de base romboïdal. La duresa es calcula en funció de la superfÃ−cie de la marca segons: F L2 HK = A = A 14,2 HK = Duresa Knoop en kp/mm2. F = Cà rrega aplicada en kp. A = SuperfÃ−cie de la marca en mm2. L = Llargà ria de la diagonal major de la marca en mm. L'assaig Rockwell Es realitza en dos tipus de penetradors: • Bola d'acer per a materials tous. • Diamant en forma de con per a materials durs. Els valors recollits, en unes escales, les quals es seleccionen segons el material que sigui i dels gruix de la peça. El valor obtingut, no s'obté a partir de la superfÃ−cie de la marca deixada sinó de la fondà ria de la penetració. L'assaig es realitza en 3 fases: • Es posen 10 kp al sobre. • Sense treure la cà rrega es posen 90 kp més per arribar a la normalització. • Es treu la cà rrega, quedant-se només en la inicial. El valor de la duresa s'obté: L Per al penetrador de bola: HR = 130 0,002 L = Fondà ria de penetració en mm. L Per al penetrador de con de diamant: HR = 100 0,002 5

Els valors de dures Rockwell s'expressen amb el format: XX HRYY XX = Valor de duresa Rockwell obtingut. YY = Designació de l'escala utilitzada. • Assajos de duresa al rebot L'assaig Shore consisteix en mesurar la duresa d'un material a partir de l'alçà ria del rebot d'un objecte dur que cau sobre el material que es vol assajar. S'utilitza un escleròmetre o escleroscopi Shore que consta d'un tub amb una escala graduada del 0 al 40 per on llisca un martell, que partint d'un alçà ria de 254 mm, impacta contra el material i rebota en sentit ascendent fins l'alçà ria de rebot. Com més gran es l'alçà ria, més dur es el material. El martell consisteix en un cilindre d'acer amb un punta de diamant arrodonida. • Relació entre la duresa i la resistència a la tracció à s una manera de compara els valors de duresa obtinguts amb els diferents mètodes, ja que podem saber d'una manera senzilla el nivell de resistència sense haver de realitzar l'assaig de tracció. En el cas dels acers s'utilitza la relació següent: R (N/mm2) = 3,45 HB La resistència al trencament per tracció d'un acer és 3,45 vegades el valor de duresa de Brinell. • Assajos de resilència, fatiga i tecnològics • Assajos de resilència Un material pot anomenar-se quan posseeix una bona resistència a la tracció juntament amb un valor elevat d'allargament. Hi ha dos tipus d'assajos: el pèndol de Charpy i el d'Izod. L'assaig de Charpy consisteix en un pèndol de 22 kg al seu extrem. Que es deixa caure des de una alçà ria fixa h, i impacta contra la proveta, i es trenca i el pèndol continua el seu recorregut. La diferència d'alçà ries és directament proporcional a la resilència. Les provetes porten una entalla de 2mm en forma de “V”, i aixÃ− es trenca pel punt desitjat. També estan normalitzades. Els valors de residència s'expressen: Ec K= A K = Valor de la resilència del material en J/mm2.

6

Ec = Energia cinètica consumida en el trencament de la proveta en J. A = Secció de trencament de la proveta en mm2. • Assajos de fatiga Són esforços constant està tics que es pot observar el comportament per l'assaig de tracció i duresa. Els esforços de fatiga, són esforços que alternen el seu sentit d'aplicació (tracció-compressió, torsió, flexió) de manera repetitiva o cÃ−clica en el temps. En els assajos de fatiga es vol reproduir les condicions de treball reals dels materials. El més usat es sotmetre la proveta a esforços de flexió rotativa seguint un cicle que es va repetint en el temps. El següent grà fic, són els resultats de l'assaig que representats en el grà fic que es coneix com a Corba S-N o Diagrama de Wöhler. Les corbes S-N defineixen dos valor importants: Resistència a la fatiga: valor de l'amplitud de l'esforç que provoca el trencament del material després d'un nombre determinat de cicles. La vida a la fatiga: és el nombre de cicles de treball que pot suportar un material per a una determinada amplitud de l'esforç aplicat. Es representa Nf. Hi ha dos maneres de comportar-se un material davant la fatiga: aquells que sempre acaben trencant-se i aquells que si no superem un determinat valor de l'amplitud de l'esforç aplicat no es trenquen. El lÃ−mit de fatiga és el mà xim valor de l'amplitud de l'esforç a aplicar perquè no es trenqui en un nombre infinit de cicles. • Assajos tecnològics Per determinar l'aptitud dels metalls en ser sotmesos als processos de conformació es practiquen diferents assajos, com: assaig de plegatge, assaig d'embotició, assaig de punxonat. Assaig de plegatge Consisteix a sotmetre una proveta allargada a un esforç de flexió constant, lent i en un sol sentit. La proveta, per efecte de l'esforç es plega. La part externa pateix una tracció i la part interna una compressió. Al final es controlen els resultats observant l'aparició d'esquerdes en la part exterior. Hi ha dos procediments: • Plegar fins a un angle determinat i observar si hi ha esquerdes. • Plegar fins l'aparició de les primeres esquerdes i anotar el valor de l'angle. El valor de l'angle de plegatge on han començat a aparèixer les esquerdes es considera com un Ã−ndex de qualitat del metall. Esquema de l'assaig de plegatge

7

Fe Proveta α Assaig d'embutició Consisteix a forçar la deformació d'una là mina de metall obligant-la a entrar dins una matriu mitjançant l'acció d'un punxó o una contramatriu. L'assaig està normalitzat. Com que la profunditat de l'embutició depèn del gruix de la là mina, la relació entre una i l'altre es coneix com a Ã−ndex Erichsen o de qualitat. Profunditat de la penetració del punxó à ndex Erichsen = gruix de la capa Esquema de l'assaig d'embotició Material Acer Acer inoxidable Alumini (amb 4% de Cu) Llautó Coure (electrolÃ−tic recuit)

à ndex Erichsen per a xapa d'1 mm 12 13,80 11,40 14,60 11,80

Assaig de punxonat Consisteix a foradar o retallar peces de formes diverses d'una xapa metà l·lica. Les peces es tallen mitjançant un punxó sobre la xapa. S'utilitza per determinar la resistència al tall de xapes. L'assaig es fa amb un punxó cilÃ−ndric d'acer trempat. La xapa es posa damunt una matriu amb forat de secció de tronc de con per on penetrarà el punxó un cop hagi tallat la xapa. S'aplica una força al punxó i quan la forada es pren notat i el calcula la resistència al punxonat. S'expressa amb: F Ï = Ï“ · d · e Ï = resistència al punxonat en N/mm2. F = força aplicada al punxó en N.

8

d = dià metre del punxó en mm. e = Gruix de la xapa en mm. Esquema de l'assaig de punxonat • Assajos no destructius No deixen marques i s'apliquen a peces elaborades per determinar la presència (o absència) de defectes interns no observables a primera vista, per això s'anomenen de defectes. Els defectes interns poden ser, entre d'altres: fissures, esquerdes, porus, inclusions, etc. En definitiva, qualsevol alteració greu de l'estructura interna d'un material que fa que aquesta deixi de ser homogènia. Per detectar els defectes es fan servir els assajos que veurem a continuació: • Assajos magnètics S'aplica un camp magnètic a la peça que es vol assajar, si no té defectes la seva estructura interna es homogènia, i la permeabilitat magnètica serà constant en tota la seva extensió. Però si hi ha algun defecte, la seva estructura interna no és homogènia i es provoca una variació localitzada de la permeabilitat magnètica que desvia les lÃ−nies de força del camp magnètic. La desviació de les lÃ−nies de força que informen de la presència d'un efecte pot ser: • Detecció òptica amb assaig magnetoscòpic. S'utilitza oli mineral amb partÃ−cules de ferro en suspensió que s'orienten seguint la direcció de les lÃ−nies de força. Pols magnètics Peça que s'examina Nucli magnètic • Detecció acústica amb assaig magnetoacústic. Es fa lliscar un captador per una superfÃ−cie de la peça i amb un auricular es detecten els defectes. El captador consta de dues bobines, una de les bobines genera un camp magnètic i l'altra detecta el flux magnètic generat per la primera. • Detecció elèctrica amb assaig electromagnètic. à s semblar a l'anterior, canvia el fet que el camp magnètic és produït per un corrent elèctric molt intens. • Assajos per raigs X i raigs gamma S'utilitza quan el material no és ferromagnètic. La solució és la utilització de raigs X o raigs gamma (γ). Aquestes radiacions es caracteritzen per: • Desplaçar-se en lÃ−nia recta a la velocitat de la llum. • No ser desviades per camps elèctrics ni magnètics. • No canviar de direcció. • Impressionar plaques fotogrà fiques. 9

Consisteix en fer travessar la radicació per la peça i que arribi a impressionar en una placa fotogrà fica. Però no totes les substà ncies absorbeixen aquestes radiacions en la mateixa mesura. Si no hi ha defectes en la placa fotogrà fica quedarà impressionada de manera uniforme, però si hi ha defecte en la placa fotogrà fica hi haurà alguna zona més o menys clara. L'aparell generador de raigs x és molt voluminós i més car que no el de raigs γ. Esquema de l'assaig per raigs X o γ • Assajos per ultrasons Consisteix en la utilització dels ultrasons: ones de pressió o sonores de freqüència superior a la mà xima audible per l'oïda humana. Els ultrasons es propaguen en lÃ−nia recta i a gran velocitat. Es propaguen perfectament pels sòlids, força bé pels lÃ−quids i amb dificultat pels gasosos. En el buit no es propaguen. Per generar i detectar ultrasons s'utilitzen cristalls de quars, el cristall vibra i emet ultrasons. També es reversible, quan arriben ultrasons al cristall, apareix una tensió elèctrica entre les seves cares oposades. Els ultrasons detectat són convertits en un senyal elèctric per visualitzar-se en una pantalla. El generador emet els ultrasons en forma d'impulsos de curta durada. Quan arriben a la cara oposada de la peça, són reflectits i captats pel detectors. Si no hi ha cap defecte, a la pantalla apareixen dos polsos corresponents al so de sortida i a l'eco de tornada. Si existeix un defecte, part de l'ona es reflecteix en aquest i arriba abans al detector: a la pantalla apareixen tres polsos. 35 A l'equip electrònic Defecte Emissor Receptor Peça Assaig d'una peça sense defectes Assaig d'una peça amb defectes Generador de raigs X o γ Pantalles de plom Peça que s'examina Placa fotogrà fica Defecte Auriculars 330 V Moviment 10

Peça que s'examina Defecte Punxó Estampa o matriu d Proveta Subjectador de la proveta e Punxó Estampa o matriu S -Amplitud de l'esforç S - Amplitud de l'esforç S1 LÃ−mit de Fatiga R a la fatiga per a N1 cicles 103 104 105 106 107 108 109 Nº cicles 103 104 105 106 107 108 109 Nº de cicles 10000 10 Diamant 5000 2000 Acers nitrutats 9 Corindó 1000 1000 80 8 Topazi 800 60 Eines de tall 600 500 110 Llima dura 7 Quars 400 40 300 200 60 6 Ortòclasi 20 Acers de 5 Apatita

11

200 40 0 mecanització 100 Rockwell fà cil 4 Fluorita 100 20 3 Calcita Knoop 50 0 Rockwell Llautons i aliatge d'alumini 20 2 Guix 10 Molts plà stics 5 Duresa Brinell • Talc Duresa Mohs Dolla superior Tub de vidre Martell Dolla inferior Proveta Fase 1 Fase 2 Fase 3 120º 10 kp 10 + 90 = 100 kp 10 kp 10 kp 10 + 90 = 100 kp 10 kp Fase 1 Fase 2 Fase 3 Proveta Força Marca (vista superior) l

12

Penetrador d1 d2 Penetrador d Penetrador D Proveta Proveta Proveta Ï Esforç unitari Zona de reducció (N/mm2) de la secció R Resistència al trencament Ï e LÃ−mit elà stic mesurat LÃ−mit elà stic teòric ε = 0,2 % ε Allargament unitari Zona elà stica Zona plà stica Capçal mòbil 214 100 Sensor d'allargament Proveta Ǿ 20 Moviment Capçal fix

13

Sensor de cà rrega

14