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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
IDENTIFICACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO MEDIANTE TÉCNICAS NODESTRUCTIVAS, COMO ULTRASONIDO, EN UNIONES SOLDADAS DE
PUENTES
POR
JOSÉ ANTONIO SALAZAR GARRIDO
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA. 2008
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
IDENTIFICACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO MEDIANTE TÉCNICAS NODESTRUCTIVAS, COMO ULTRASONIDO, EN UNIONES SOLDADAS DE
PUENTES
POR
JOSÉ ANTONIO SALAZAR GARRIDO
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA FEBRERO 2008
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V.
Gerencia de Desarrollo del Factor Humano
División de Estudios de Postgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la monografía"Identificación del tamaño de grano mediante técnicas no destructivas, comoultrasonido, en uniones soldadas de puentes", realizada por el alumno José AntonioSalazar Garrido matrícula 06-ESO48 sea aceptada para su defensa como Especialista enTecnología de la Soldadura Industrial.
Tutor e
Dr. Miguel M
M.C. Gabriel García Cerecero
adrid
Asesor
Dr. Carlos Vera Mendoza
M.C. Claudia\Arac^ JG$hzález RodríguezCoordlnadorJQe/Püsgrado
DEDICATORIA
A los puentes...
Gracias a todos los participantes por crearlos.
PROLOGO
En la actualidad, el supervisar estructuras tan complejas como los
puentes resulta de total importancia. La inspección y evaluación no
destructiva forma parte ya de la agenda desde el diseño hasta la
operación.
La gran factibilidad de realizar pruebas a las uniones de los puentes,
sin afectarlas estructuralmente, es lo que hace que sigan
desarrollándose técnicas no destructivas. Tal es el caso de caracterizar a
un material de una unión del puente para su inspección y evaluación,
realizando la prueba in situ, y no dañarlo estructuralmente. Donde
además se requiere registrar la información, y lo más importante que los
resultados sean confiables.
El caso anterior se presento en el puente Río Papaloapan, ubicado en
Veracruz, México. Donde un dispositivo superior de anclaje en un tirante
falló. A este elemento se le realizaron pruebas convencionales de análisis
de falla, resultando que el material tenía tamaño de grano grande (0-1
ASTM).
Derivado de esta situación y con la problemática de inspeccionar el
resto de los dispositivos que tuvieran el mismo problema. La condición,
no dañarlos estructuralmente.
La opción adecuada es realizar ensayos no destructivos, utilizando
una técnica que considerará confiabilidad, manejo, costo y tiempos
viables para su ejecución. De esta manera se eligió inspeccionar por
ultrasonido, una técnica ya estudiada desde hace tiempo y utilizada
para caracterizar al material, debido a sus propiedades de
propagación.
El presente trabajo, se pretende mostrar la manera en que han
utilizado esta técnica para caracterizar un material y determinar el
tamaño de grano, así como presentar los resultados que se han
obtenido.
Además realizar una experimentación, donde se muestre la
sensibilidad de la técnica, construyendo patrones de referencia que
sean comparables a una técnica no convencional. Para que, finalmente
se analice con los resultados obtenidos en otras investigaciones.
El alcance propuesto es, mostrar los conceptos generales para el
desarrollo de una técnica de inspección y evaluación de la unión. En la
que se intenta determinar el tamaño de grano de un material utilizando
técnicas no convencionales, como ultrasonido, confiables como las
técnicas convencionales para determinar el tamaño de grano.
índice general
Contenido Página
PROLOGO 4
ÍNDICE GENERAL 6
INTRODUCCIÓN 7
Capítulo I. IMPORTANCIA DE INSPECCIONAR EL 10
TAMAÑO DE GRANO
Capítulo II. CASO EN ESTUDIO 35
Capítulo III. ESTADO DEL ARTE 48
Capítulo IV. EXPERIMENTACIÓN 85
Capítulo V. DISCUSIÓN 95
CONCLUSIONES. 96
BIBLIOGRAFÍA. 98
INTRODUCCIÓN
Uno de los problemas importantes a detectar en una prueba
convencional de análisis de falla, en un material de fundición, es la baja
tenacidad. Y esta a su vez se asocia al tamaño de grano grande del
material.
El tamaño de grano grande es una fuente propicia para generar el
inicio de una falla, grieta o matriz susceptible, tal que genera una baja
tenacidad del mismo, desarrollándose la falla bajo esfuerzos normales a
los que está sujeta la pieza. (ITEA, 2000)
Una microestructura con tamaño grande se crea de una deficiencia
metalúrgica dentro de un proceso de vaciado, en el cual se constituye
la pieza de trabajo.
El nivel de esfuerzos y deficiencias del material determinan la
velocidad de propagación de la grieta. Entonces a trabajos en altos
niveles de esfuerzos son suficientes para originar agrietamiento, por
ejemplo en la zona afectada por el calor de una soldadura. (Milne,
1986)
Ahora, que ocurriría, si se tuviese que realizar un análisis de falla en
elementos estructurales fijos y a una altura considerable como puede
acontecer en los dispositivos de soporte superior de un puente. Aplicar
una técnica convencional es factible. Sin embargo, cuando se tienen
que inspeccionar una cantidad de piezas al mismo tiempo y tener lo
datos registrados y además que se puedan evaluar de manera que
tenga el mismo criterio, surge la idea de utilizar técnicas no
convencionales que corresponden a inspeccionar sin destruir, que
reúnan los requisitos de una técnica convencional.
Existen varias técnicas no destructivas que pueden ser utilizadas para
inspeccionar las piezas. Las técnicas de inspección recurridas para
estimar el tamaño de grano son ultrasonido y emisión acústica. Esta
última sin evidencia clara ni experiencia a nivel mundial para su
aplicación. La calibración y filtrado de ruido son el principal obstáculo,
sin embargo el desarrollo tecnológico puede ser la solución en un corto
tiempo.
Por otro lado, las propiedades de propagación de ondas ultrasónicas
en una material han sido muy estudiadas.
La velocidad ultrasónica como una propiedad particular de los
materiales ha sido utilizada para su caracterización. La velocidad de
onda cortante y longitudinal en el material ha sido medida utilizando la
técnica de pulso-eco.
La atenuación es una propiedad importante para determinar el
tamaño de grano. Según el ASM Handbook tomo 17, la atenuación se
da por varios fenómenos, como una perdida de transmisión, efecto de
interferencia, divergencia del haz, impedancia acústica. Estos
fenómenos están divididos en tres áreas: Absorción, Dispersión
(Scattering) y Difracción.
El scattering o fenómeno de dispersión ocurre a causa de las no-
homogeneidades del material, además de discontinuidad de los
cristales, tal como el límite de grano e inclusiones no metálicas. En
mezclas de microestructura o material isotrópico el modo de conversión
en límite cristalino tiende a ocurrir a causa de diferencia en velocidad
acústica e impedancia acústica a través de los límites. (ASM
International, 1998)
Por lo que este fenómeno es ocupado para medir el tamaño del
grano.
La intención de este trabajo es mostrar los conceptos claves para
desarrollar una técnica de inspección no destructiva para determinar el
tamaño de grano, su sensibilidad y factibilidad.
El alcance del trabajo lo enmarcan cinco capítulos, los cuales tratan
desde la importancia de establecer una técnica de inspección no
destructiva para determinar el tamaño del grano, siguiendo con la
importancia que tuvo en un caso en particular, la implementación de
una técnica no convencional como ultrasonido para caracterizar el
material. El capítulo tres, está enfocado al sustento de la técnica, la
revisión bibliográfica de la estimación del tamaño mediante ultrasonido.
Por último, mostrar los resultados experimentales realizados a diferentes
tamaños de grano. Así como, ofrecer en el último capítulo una discusión
de los resultados obtenidos.
1.
IMPORTANCIA DE INSPECCIONAR
EL TAMAÑO DE GRANO
En la evaluación de un puente de acero, existen diversos aspectos
que se deben tomar en cuenta. No sólo se debe considerar al acero
como elemento estructural, sino también como material y que está
afectado por el medio. Por lo que debe realizarse un programa de
mantenimiento para realizar pruebas generales de control de calidad y
si hay una sospecha anómala que no se puede detectar fácilmente,
realizar otras pruebas especiales que inspeccionen la seguridad
estructural del puente. Uno de los problemas prematuros que afectan la
seguridad estructural es el agrietamiento por fatiga. Defecto que puede
ser causado por el tamaño de grano del material.
1.1 ANTECEDENTES
Existe un problema mundial concerniente a la deterioración
prematura de las infraestructuras de acero. (Washer, 1997)
10
Muchas partes de puentes de acero requieren tempranamente
repararlos o reemplazarlos. Esto se sustenta de la respuesta de una
evaluación que no solo es una decisión económica, también debe
tomarse en cuenta situaciones como, posponer otros trabajos nuevos,
retardo de tráfico, irritación de usuarios, etc. Esto exige que la
información recabada para la evaluación sea confiable.
Por años, se ha tenido la tecnología para producir acero durable
(Manual AHMSA, 2000), Sin embargo existen puentes de acero que
requieren el mantenimiento por causas de una mala elección del
material o por defectos en el material.
Una razón es que el acero es generalmente entendido por el
diseñador como un elemento estructural, no como un material.
Esta visión se trae desde la escuela. Por una presión académica por
expandir la curricula de diseño, se deja poco tiempo para la atención
de la ciencia de los materiales, especialmente el acero.
Actualmente, es necesario que el ingeniero de puentes complete sus
estudios con cursos en control de calidad y comportamiento del
material.
Tener presente el comportamiento del material y el control de
calidad es la solución simple y efectiva para muchas veces llenar los
vacíos que se tienen para hacer una evaluación particular del puente.
Esto es, regresar a lo básico o a la causa raíz de deterioración de una
estructura sujeta al medio. (Haardt, 2003)
11
El conocimiento de aspectos como las propiedades físicas, químicas y
mecánicas del acero y todo lo que conlleva; durabilidad, construcción,
colocación, así como el control de calidad, deben de servir como
soporte para una evaluación.
Uno de los defectos, que se debe tomar en cuenta en el control de
calidad, es el tamaño de grano del material.
Una manera de comenzar a comprender la importancia de
inspeccionar el tamaño de grano de un material, es visualizar el
panorama que lleva en sí mismo a inspeccionar. Desde el programa de
mantenimiento que indica cuando es necesario realizar una inspección
especial, que es cuando se encuentran anomalías que no se pueden
determinar fácilmente. (Haardt, 2003)
De esta inspección, debemos establecer que tipos de problemas
puede presentar una parte particular del puente, como una unión. Para
esto, es necesario conocer que tipos de problemas podemos encontrar,
en nuestro caso, el agrietamiento por fatiga.
1.3 PROBLEMA A INSPECCIONAR
El acero es altamente resistente, elástico, resistente a golpes y esta
presente en todas las formas en la infraestructura. El acero es elástico y
generalmente resistente a carga de impacto. Sin embargo un problema
del acero concierne a la fatiga por agrietamiento. Un agrietamiento por
fatiga puede dirigir una fractura súbita, la cual puede ser catastrófica.
Otro problema importante del acero es la corrosión, además los daños
12
por impacto vehicular, daños por incendios, pero en este trabajo no se
desarrollará este tema.
AGRIETAMIENTO POR FATIGA
A nivel microestructural, las fracturas en aleaciones pueden ocurrir vía
transgranular (a través de los granos) o vía intergranular (a lo largo de
límites de grano). El ASM handbook volumen 19, indica que existen
cuatro modos principales de factura: Dúctil, frágil, fatiga, ruptura por
descohesión.
En esta parte del trabajo se tratará del concepto de la fatiga general
y las propiedades de fractura, especialmente de los aceros vaciados,
para tener una visión del caso especial que corresponde a una fractura
por agrietamiento por fatiga.
Los metales presentan a menudo unas propiedades bastante
aceptables cuando los ensayos de tensión se realizan sobre pequeñas
probetas de barra lisas a temperatura ambiente y con unos índices de
carga reducidos. Fallan sin embargo por fragilidad cuando se cargan
elementos grandes o cuando la carga se aplica a bajas temperaturas o
de una forma rápida. La susceptibilidad a la fractura frágil aumenta si
existen entalladuras u otros defectos. La resistencia a la fractura frágil
suele conocerse como tenacidad.
Los metales con red cúbica centrada, por ejemplo el hierro virgen y
los aceros terríficos, poseen la desafortunada característica de que su
mecanismo de fractura sufre una transición dramática al descender la
temperatura, pasando de un modo de ductilidad tenaz en la zona de
13
más alta temperatura a un modo de despegue frágil en las
temperaturas inferiores. Los metales de red cúbica centrada en las
caras, por ejemplo cobre, aluminio y aceros austeníticos, no fallan por
despegue en ninguna condición de carga ni de temperatura. (Leslie,
1981)
La rotura dúctil implica la formación, crecimiento y coalescencia de
microvacíos. Una sencilla analogía es la rotura de arcilla o masilla que
contenga partículas de arena. Los microvacíos forman a su alrededor
precipitados o inclusiones no metálicas, ver figura 1.1. La ductilidad o
tenacidad del material depende básicamente de la fracción
volumétrica de las partículas que nuclean los microvacíos, es decir, de
la proporción de arena en la anterior analogía. Cuanto mayor es la
pureza del material mayor es el grado de deformación anterior a la
rotura y con ello su tenacidad.
A
•
• • ••
í «¿yrü í '''"""''"A'",;
/ \
Figura 1.1 Formación de microvacios alrededor de precipifados
o inclusiones no metálicas resultantes en fractura
14
La orientación macroscópica de una superficie de rotura dúctil
puede variar de 90° a 45° respecto de la dirección de la tensión
aplicada. En las secciones gruesas la mayor parte de la superficie de
rotura tiende a orientarse a 90° respecto de la dirección de la tensión de
tracción aplicada. Sin embargo, las roturas dúctiles suelen tener un
"borde de cizallamiento" ("sheartip") próximo a un contorno libre
conforme las tensiones transversales se reducen a cero, haciendo que el
plano de máximo cizallamiento esté a 45° respecto de la dirección de la
tensión aplicada. (Leslie, 1981)
La fractura transcristalina tiene lugar en metales de red cúbica de
mallas centradas cuando la tensión máxima principal excede un valor
crítico, el denominado tensión microscópica de fractura transcristalina.
Determinados planos cristalográficos de átomos se separan cuando
la tensión es lo bastante elevada como para romper los enlaces
atómicos. Como planos de despegue se prefieren los planos
cristalográficos con bajas densidades de masa. En los aceros, los planos
de cambio preferidos son los planos de nido de abeja ("bee cube
planes"). (Dahl, 1985)
La superficie de rotura es perpendicular a la tensión principal máxima
y tiene una apariencia macroscópica plana y cristalina. A simple vista la
fractura transcristalina suele presentar unas características marcas en
forma de fibra que señalan el origen de la rotura.
Cuando la rotura frágil se produce en una gran estructura, esas
marcas pueden tener un valor incalculable para identificar el lugar de
iniciación de la fisura. Al microscopio puede verse cómo las fisuras de
15
despegue atraviesan los granos a lo largo de los planos cristalográficos
preferidos (despegue transgranular). Si los contornos de grano se
debilitan a causa de los precipitados o por la concentración de átomos
exteriores, las fisuras de despegue pueden propagarse también a lo
largo de los contornos de grano (despegue intergranular).
La temperatura influye sobre el comportamiento a la rotura debido
principalmente a su efecto sobre el límite elástico y la transición de
rotura dúctil a fractura transcristalina.
La figura 1.2 muestra esquemáticamente el límite elástico y la tensión
microscópica de fractura transcristalina correspondientes a un acero
ferrítico, en función de la temperatura. El límite elástico desciende según
aumenta la temperatura, mientras que la tensión de fractura
transcristalina apenas se ve influida. La temperatura de transición se
define por la intersección entre las curvas de ambos factores. (Dahl,
1985)
A temperaturas más bajas las probetas fallan sin una deformación
plástica previa (fractura frágil). Algo por encima de temperatura de
transición puede producirse todavía la fractura transcristalina, debido al
efecto del endurecimiento por acritud inducido por la deformación. A
temperaturas más elevadas ya no es posible el despegue y la fractura se
hace totalmente dúctil.
16
Tensan
Retfctendla al despegue
—tT. *
,% "íeásiencia a |a fluencia con" **f ata veiocldod de deformación
Üetórtendo a la fluencia estática
r\Tempeiotura detnanKlón estática
Temperaflura de ftansclón aaran velocidad de deformación
Temperatura T
Figura 1.2 Resistencia de fluencia y tensión de fractura transcristalina
microscópica en función de temperatura y velocidad de carga
La mecánica de rotura proporciona una descripción cuantitativa de
la resistencia de un material a la rotura. La tenacidad a la rotura es una
propiedad del material que puede utilizarse para predecir el
comportamiento de los elementos que tengan fisuras o entalladuras
agudas. Las propiedades de tenacidad a la rotura se obtienen
mediante ensayos sobre probetas con fisuras o entalladuras
intencionadas y sometidas a las condiciones de carga prescritas.
Dependiendo de la resistencia del material y del espesor de la
sección, se aplica el concepto de mecánica de rotura lineal-elástica
(LEFM: "Linear-elastic fracture mechanics") o elasto-plástica (EPFM:
"Elastic-plastic fracture mechanics"). (Dahl, (Milne, 1986.) 1990)
Cuando se analiza la respuesta de materiales metálicos a una carga
cíclica es esencial distinguir entre elementos tales como piezas
17
mecanizadas, que inicialmente no tienen defectos, y otros como piezas
fundidas y estructuras soldadas que, de manera inevitable, contienen
defectos preexistentes.
El comportamiento a la fatiga de estos dos tipos de elementos es muy
diferente. En el primer caso, la mayor parte de la vida a la fatiga se
consume al iniciarse una fisura: es una fatiga de "inicio controlado". En el
segundo tipo de elemento las fisuras ya existen y la totalidad de la vida
a la fatiga se consume al propagarse las fisuras: es una fatiga de
"propagación controlada".
En un material determinado, la resistencia a la fatiga difiere mucho
en función de si la aplicación es de inicio controlado o de propagación
controlada. También la solución de material más adecuada puede ser
muy diferente dependiendo de la aplicación. Por ejemplo, en el caso de
fatiga de inicio controlado, la resistencia a la fatiga aumenta con la
resistencia a la tracción y por tanto suele resultar beneficioso utilizar
materiales altamente resistentes. Por el contrario, con la fatiga de
propagación controlada la resistencia a la fatiga puede en realidad
disminuir si se emplea un material de resistencia mayor. (Milne, 1986)
Fases de daño por fatiga
• Fase sin fisuras
Durante los primeros ciclos de tensión 104, aunque la carga es
nominalmente elástica, tiene lugar una actividad de dislocación en
zonas localizadas que conduce a la formación de unas bandas de
18
deformación plástica localizada conocidas como "bandas de
deslizamiento permanente" ("persistent slip bands" (PSB)).
• Inicio de la fisura
El inicio de la fisura tiene lugar generalmente dentro de las bandas de
deslizamiento permanente. En el caso de metales puros, el inicio de la
fisura suele ocurrir en la superficie. En materiales de calidad comercial, el
inicio de la fisura suele darse en inclusiones no metálicas u otras
impurezas que actúan como emplazamientos microscópicos de
concentración de deformación. (Milne, 1986)
• Propagación de la fisura
Una vez iniciada, la fisura se propaga por un pequeño número de
primeros granos en la dirección de máximo esfuerzo cortante, es decir, a
45° respecto de la tensión normal. Cuando la fisura ha alcanzado una
longitud de algunos diámetros de grano, la propagación continuada es
controlada por el campo de intensidad de tensión cíclica en el extremo
de la fisura, y el recorrido de la fisura se orienta a 90° respecto de la
dirección de la tensión principal máxima. (Dahl, 1985)
Aunque la mayor parte de la vida a la fatiga se consume en el inicio
de la fisura, no es algo que se aprecie al examinar la superficie de rotura,
donde sólo puede verse la fase de propagación.
19
Influencia de diversos parámetros
Las relaciones existentes entre la resistencia a la fatiga de inicio
controlado y otros parámetros son complejas y a veces solo conocidas
de un modo cualitativo. Sin embargo, son muy importantes a la hora de
seleccionar el material y dimensionar las piezas estructurales. (Milne,
1986.)
Por esta razón se exponen a continuación una serie de diferentes
parámetros, con referencia a su influencia sobre las propiedades de
fatiga.
• Carga: las distintas condiciones de carga incluyen la tensión y
compresión cíclica, la torsión cíclica, la flexión cíclica y cualquier
combinación posible de ellas.
• Tensión principal: la resistencia a la fatiga se ve reducida por la tensión
principal de tracción y aumentada por la tensión principal de
compresión.
• Frecuencia: en la mayoría de los materiales no se observa ninguna
influencia en una gama amplia. Algunas aleaciones presentan una
menor vida correspondiente a frecuencias menores, debido a la
intervención de los efectos de la corrosión.
• Tensiones residuales: Como ocurre con los efectos de la tensión
principal, la tensión residual de compresión mejora la resistencia a la
fatiga, mientras que la tensión interna de tracción tiene el efecto
opuesto. Para optimizar la resistencia a la fatiga se genera una tensión
20
residual superficial de compresión mediante técnicas tales como el
granallado y el laminado superficial.
• Superficie: el acabado superficial tiene una gran influencia sobre la
fatiga: cuanto más lisa es la superficie mayor es la resistencia a la fatiga.
El tratamiento de las superficies durante la fabricación ocasiona a
menudo un endurecimiento por deformación y tensiones residuales de
compresión, aumentando ambas cosas la resistencia a la fatiga.
La influencia de las entalladuras se describe en "Geometría".
• Geometría: Las entalladuras y cambios de sección actúan como
emplazamientos de concentración de tensión y tienen por tanto una
influencia considerable sobre las propiedades de fatiga. En el caso de
entalladuras grandes y lisas, la concentración de tensión debe evaluarse
e incorporarse al análisis de fatiga. Las entalladuras agudas se
comportan como defectos a modo de fisuras y hacen que el
comportamiento a la fatiga sea de propagación controlada.
• Soldadura: la soldadura inevitablemente genera pequeños defectos a
modo de fisuras que reducen en gran medida la resistencia a la fatiga y
hacen que la fatiga sea de propagación controlada.
• Corrosión: la exposición a un entorno corrosivo favorece tanto el inicio
como la propagación de la fisura. En consecuencia, la resistencia a la
fatiga se reduce. El límite de fatiga en los aceros puede eliminarse en un
elemento corrosivo.
• Microestructura: la influencia de la modificación de la microestructura
sobre la resistencia a la fatiga es similar a la que tiene sobre la resistencia
21
a la tracción. En general, la resistencia a la fatiga aumenta en
proporción a la resistencia a la tracción. Por ejemplo, en una amplia
gama de aceros forjados la resistencia a la fatiga equivale a entre un
40% y un 50% de la resistencia a la tracción. La pureza mejorada eleva la
resistencia a la fatiga. (Dahl, 1985)
Otro parámetro que influencia la fractura es el tamaño de grano, que
a continuación de desarrolla.
TAMAÑO DE GRANO
El tamaño de grano del material es una característica importante de
la ingeniería; el cual influencian sus características. Un grano es una
porción del material dentro del cual el arreglo atómico es el mismo. La
frontera de grano es la superficie que separa a los granos, una zona
estrecha, donde los átomos no están correctamente especiados. Se
crean regiones de compresión cuando los átomos están cerca uno de
otros en la forontera, y donde están alejados crean zonas de tensión.
(Askeland, 2003)
Los contornos de grano constituyen barreras al movimiento de las
dislocaciones. En consecuencia, conforme disminuye el tamaño del
grano el número de barreras se eleva, lo que se refleja en un límite
elástico aumentado.
El tamaño del grano influye sobre las propiedades. En particular, el
límite elástico viene determinado por el tamaño del grano, de acuerdo
con la llamada ecuación de Petch:
ay =cr0 +kd~vl
22
Donde;
ay es el límite elástico
cto es en efecto el límite elástico de un cristal aislado muy grande
d es el tamaño del grano en mm
k es una constante del material
TMUAe l<- i'iiii • A^TM
Figura 1.3 Efecto del tamaño de grano a
temperatura ambiente. Fuente:
Ciencia e ingeniería de materiales,
Askeland,2003
INFLUENCIA DE RITMO DE ENFRIAMIENTO- TAMAÑO DE GRANO
Durante el enfriamiento de la austenita comienzan a crecer desde
muchos puntos los nuevos cristales eme de ferrita. El número de puntos
de arranque determina el número de granos de ferrita, y por tanto el
tamaño de grano. El tamaño de grano es importante, pues de él
dependen las propiedades físicas. Los granos pequeños resultan
23
favorables. El número de puntos de arranque puede aumentarse
añadiendo elementos como aluminio y niobio. Otro factor importante es
el ritmo de enfriamiento. Si es lento, los nuevos granos de ferrita se
desarrollan únicamente a partir de unos pocos puntos muy favorables.
Con ritmos de enfriamiento elevados el número de puntos de arranque
será mucho mayor, y el tamaño de los granos menor. La figura 1.3
muestra aceros con diversos tamaños del grano, producidos a diferentes
temperaturas de laminación de acabado.
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Figura 1.4 Diferentes tamaños de grano, producidos a diferente temperatura.
Fuente: Enciclopedia ITEA
Otro factor importante lo constituye el hecho de que cuando un
acero de grano fino se calienta a una temperatura superior a unos
1000°C, algunos de los granos de austenita crecen mientras los granos
contiguos desaparecen. Este crecimiento del grano tiene lugar durante
la soldadura en la llamada zona afectada por el calor (HAZ, "heat
affected zone"). Se trata de una zona de 3-5 mm de anchura situada en
la chapa adyacente al metal fundido. Los cambios microestructurales
acaecidos en la zona afectada por el calor suelen dar lugar a un
deterioro de las propiedades físicas del acero.
24
Cuando el ritmo de enfriamiento es lento, los átomos de carbono
tienen tiempo de migrar separando "capas" en la microestructura y
formando la estructura denominada perlita. La ferrita de esta mezcla es
blanda y dúctil. El componente cementita es duro y frágil. La mezcla
(perlita) posee propiedades entre estos dos extremos. (Rollason, 1973.)
La figura 1.4 muestra el efecto sorprendente que el contenido en
carbono tiene sobre la tenacidad. El aumento del contenido en perlita
disminuye la tenacidad de la capa superior e incrementa la
temperatura de transición de dúctil a frágil. Las figuras 1.8 y 1.9 muestran
una de las dificultades a la hora de elegir el contenido en carbono. El
aumento de éste es beneficioso porque mejora el límite elástico y la
resistencia a la rotura por tracción, pero es perjudicial en la medida que
reduce la ductilidad y tenacidad. Asimismo, un contenido elevado en
carbono puede causar problemas en la soldadura.
Cv/J
400
300-
200-
100-
0-
i
%c0.01
0,22
/"
i0.11
0,31
- "»«
Jl 0,651 1—*-*• r "
-100 -50 0 50 100 150 200
Temperatura °C
Figura 1.5 Efecto del contenido de carbono en la transición de dúctil a frágil en los
aceros normalizados. (Rinebolt & Harris, 1951)
25
El enfriamiento muy rápido mediante temple en agua fría hace que la
formación de ferrita y perlita quede en suspenso. La redisposición interna
de átomos de difusión controlada, necesaria para formar esos
productos, no puede tener lugar con la suficiente rapidez. En su lugar se
forman nuevos productos por las transformaciones micro (Rollason,
1973.)estructurales de cizallamiento a temperaturas más bajas.
Un enfriamiento muy rápido da lugar a martensita. Cuando se forma
martensita no hay tiempo para la formación de cementita, y la austenita
se transforma en una forma muy distorsionada de ferrita sobresaturada
de carbono disuelto. La combinación de la distorsión reticular y el
intenso endurecimiento por acritud resultante de los procesos de
deformación de cizallamiento, necesarios para conseguir la
transformación, hacen que la martensita sea extremadamente dura
pero muy frágil. (Rollason, 1973.)
Concluyendo, una fractura frágil puede ocurrir si no existe control en
el tamaño de grano del material y el ritmo de enfriamiento en la
solidificación.
Ahora, en un puente en servicio, ¿cómo se puede llegar a detectar
este problema? La solución es inspeccionarlo. La forma de cómo y
cuándo se inspeccionará la determina un programa de mantenimiento
de puentes.
1.3 PROGRAMA DE MANTENIMIENTO DE PUENTES
El principal propósito de monitorear las estructuras civiles es confirmar
la seguridad de las estructuras y mejorar sustentablemente la vida de las
26
estructuras y evitar colapsos súbitos como fallas por fatiga. Contar con
un plan de mantenimiento, representa tener información general del
estado del puente para tomar acciones
La red federal de carreteras contiene alrededor de 6,854 puentes.
(DGCC, 2006). El programa de mantenimiento lo establece la condición
estructural del puente. La Dirección General de Conservación de
Carreteras (DGCC) utiliza dos modelos de gestión que permiten sustentar
planes de mantenimiento. Estos sistemas son el SISTER (Sistema de
Simulación de Estrategias de Mantenimiento Carretero por sus siglas en
francés) y el SIPUMEX (Sistema de Puentes de México).
El primer sistema simula la evolución del estado físico de las carreteras
a partir de la ejecución de determinadas obras por consiguiente para su
aplicación es necesario conocer el estado físico de la red federal, lo
cual se logra a partir de un inventario de daños. (DGCC, 2006).
El Sistema de Puentes de México (SIPUMEX), es la herramienta de la
Dirección de Conservación de Carreteras que utiliza para programar la
atención oportunamente de los puentes, en función de los recursos
disponibles.
El sistema cuenta con una base de datos en la que se tiene el
inventario de todos los puentes con sus características geométricas y
estructurales básicas, su ubicación, los materiales de que están
construidos (figura 6), su estado físico y los datos de tránsito de los
vehículos que soportan.
27
El propósito del programa de mantenimiento, es establecer un
esquema que reduzca los costos. Esta reducción está influenciada por la
detección oportuna de la insuficiencia de durabilidad de las estructuras.
Por lo tanto, aspectos como el crecimiento del volumen del tráfico, el
peso de los vehículos, así como problemas del material que se utiliza,
deben de contemplarse en el alargamiento de la vida de los puentes.
DISTRIBUCIÓN DE PUENTES POR TIPO DE
MATERIAL
Concreto
Reforzado
4,638 ~~~---(67%)
ería ^^^Manipostería
121
(2%) Estructura
Espacial
68
(1%)
K J Concreto
I\^éJ Presforzado
l^tfW" 1240
•1^ Acero(18%)
Concreto y
Acero
- 244
(4%)
543
(8%)
Figura l .6. Distribución de puentes por tipo de material, fuente: DGCC
Un esquema de mantenimiento que ha propuesto la red federal de
carreteras de Alemania se muestra en la figura l .7. Donde se muestra las
características básicas para que un sistema de análisis sea capaz de
asegurar la condición del puente, por lo que, el rango y la prioridad de
un puente así como su medición sea capaz de mostrar y comparar
alternativas de reparación y estrategias de rehabilitación. El éxito de la
integridad del programa es entonces relacionado a la calidad y
exactitud de inventario de puentes; los datos de la condición y daño.
28
La Inspección juega un rol importante en el programa de
mantenimiento de puentes, ya que es el nivel principal del programa. La
inspección mediante métodos no destructivos (MND) mejora la calidad
de la información por la eliminación de la subjetividad asociada con las
técnicas de inspección visual. Los métodos no destructivos pueden ser
usados bajo la condición que los resultados de la investigación sean
cuantificables y se trasladen a una evaluación para la toma de
decisiones.
Red
Estructuras
Daños
Historia
mantenimiento
Trafico
Accidentes
Costos
Base de
datos
Costos
Condición
3> Deterioro
Presupuesto
Alternativas
Programa demantenimiento
Figura 1.7. Esquema de un programa de mantenimiento
INSPECCIÓN
La inspección es el conjunto de técnicas puestas a disposición del
ingeniero que le permiten en todo momento tener un conocimiento lo
más exacto posible del estado de conservación de la obra y su posible
evolución con el tiempo a fin de tomar medidas adecuadas para
asegurar la seguridad y funcionalidad de la misma durante su vida útil.
La figura 1.8 ofrece una vista de las diferentes actividades de las dos
principales inspecciones de un puente; la principal y especial las cuales
nutren un programa de mantenimiento.
29
1 Tipo de Intensidad Fase Prioridad Consiste en: Meta Personal
inspecciónI Construcción Construcción Construcción Control de
calidad
Controlar,mejorarcomprensión.Aportar datospara
seguimiento.
Control de
calidad
Rutinaria Rutinaria Rutinaria 1±0.5 Inspecciónvisual.
Medición
Garantizar
seguridad.Identificar
problemas,registrar yactualizar
Mantenimiento
Inventario Rutinaria 3±1 Registro deobras de
construcción ymantenimiento
Actualizar el
registro delprograma demantenimiento.
Inventario
Principal Principal Exploración 2.5 Examen
profundodocumentado,por escrito eilustrado
Establecer si
necesita
inspecciónespecial dadasu evolución.
Especializadogeneral
Especial Especial especial Detectar una
anomalía
particular
Aportar datosnecesarios paradeterminar el
grao deseguridad
Especializadoparticular
Esqueme3 1. Esquema de los tir.x>s de inspección de puen \es. (Fuente: SIPUMEX, Manuales
de inspección principal y especial de puentes)
Inspección Principal.
La inspección principal reúne las actividades básicas para
determinar el estado general del puente. Por una inspección visual se
localizan defectos a un nivel elemental. Estos defectos son entonces
evaluados acorde a varios atributos (estabilidad, seguridad y
durabilidad). En la descripción de los defectos se establece alternativas
de mantenimiento, así como sus costos pueden ser calculados y el
proceso de deterioración también puede determinarse sobre la vida de
30
servicio remanente. Esta información es la base para la subsecuente
inspección.
Figura 1.8. Esquema de Inspección principal y especial
Inspección especial.
El caso, donde se encuentran defectos inusuales (defectos donde el
tipo y extensión no pueden ser determinados durante la inspección
visual), análisis adicionales a un nivel especial deben ser realizados por
un ingeniero inspector de puentes. Estas actividades pertenecen a la
inspección especial.
Dentro de esta inspección se encuentra la determinación de utilizar
las pruebas no destructivas, ya que a diferencia de las destructivas no
afecta estructuralmente las partes del puente a inspeccionar.
Como resultado de la aplicación de MND, la investigación de
defectos deben ser evaluados tomando los lineamientos de los códigos
31
de inspección. Además, debe dar las bases para el análisis de defectos
posibles para medir su mantenimiento, costo y el comportamiento de la
deterioración esperada. La aplicación de la inspección no destructiva
puede ser utilizada para actualizar los datos del inventario, por ejemplo,
las propiedades del material. Para sustentar la aplicación debe
estandarizarse, para inspeccionar elementos soldados de acero en un
puente se utiliza el código AWS DI.5 realizado por la Sociedad
Americana de Soldadura (AWS por sus siglas en inglés) y la Asociación
Americana de Carreteras y Transportes Oficiales (AASHTO).
Resumiendo, una de las partes más importantes del programa de
mantenimiento a un puente es la inspección, ya que de esta se obtiene
la información para la evaluación de la estructura y tomar una acción.
La inspección principal se refiere a realizar pruebas generalmente
mediante técnicas no destructiva (por no afectar estructuralmente al
puente) y se efectúa de manera particular para detectar una anomalía,
como un defecto del material. A continuación se muestra los alcances
de las técnicas no destructivas para detectar un material, En especial, la
caracterización del material, que es el principal motor de este trabajo.
1.4 INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA PARA CARACTERIZACIÓN DE
MATERIAL
La fatiga y la corrosión se convertirán en consideraciones cada vez
más importantes en estructuras, en cuanto más avance su vida, y las
técnicas actuales de inspección visual no serán suficientes. (Prine 1998)
La técnica que se utilice para caracterizar a un material debe cumplir
lo siguiente:
32
Que la inspección que describa indirectamente la microestrcutura del
material del elemento sea en el sitio. Sin afectar estructuralmente.
La técnica debe ofrecer registro de datos y que además pueda ser
comprensible y fácil de manejar.
El mejor desempeño para abarcar gran parte del elemento y no solo
partes representativas. Por lo que se requiere que sea accesible.
Claramente entonces, es crítica la elección de la técnica no
destructiva. En el esquema 2, se muestra un resumen de cómo se divide
la inspección no destructiva y sus alcances.
Esta situación requerirá absolutamente el uso creciente de MND en un
esfuerzo coordinado de obtener el aseguramiento de confiabilidad para
estas estructuras.
La efectividad de una inspección mediante técnica no destructiva se
podría determinar en términos de dos parámetros: la sensibilidad, y la
confiabilidad de la técnica. La sensibilidad se refiere principalmente a la
resolución mínima del método que se relaciona con el tamaño más
pequeño de defecto que se puede detectar. Por otra parte, la
confiabilidad se refiere a la certeza con que se localizan o identifican
defectos de cierto tamaño.
33
Tipo de Técnica Características Se basa en limitaciones Comparacióntécnica con otras
Emisión De acuerdo a la El tamaño de Afecta el ruido Ae es una
acústica definición de la grano puede ambiental, costo técnica pasivaASTM las influenciar la elevado, análisis e que analiza losemisiones propagación de interpretación pulsos deacústicas AE son onda acústica, complejos. ultrasonido
un efecto cambiendo las emitidos
dinámico características de directamente
transitorio debido una señal de AE por el defectoa la propagación en el momento
de la onda de ocurrencia,elástica de diferente al
c esfuerzo
generada por laultrasonido quemide la
"o rápida liberación respuesta a una? de energía por excitación
D micro fracturas
en el material
acústica
Ultrasonido Permite localizar Depende en el Difícil de aplicar Detecta defectos
y cuantificar el tamaño de grano en geometrías internos,tamaño y los y por lo tanto complejas, obtiene
defectos internos puede ser usado generalmente información
para diferentes para diferenciar requiere de agua cualitativa ytipos de del mismo u otro tipo de cuantitativa.
geometría y material dos acoplante,materiales tamaños
diferentes de
grano
algunas veces sedificulta su
interpretación.Corrientes Técnica aplicada Es utilizado para Esta limitado en No requiereinducidas a materiales caracterizar que el material preparación
u conductores, a los materiales por la sea conductor y especial. Se'o
8.g
que con diferencia en su para identificar necesita tiempocorrientes conductividad o anormalidades para
inducidas por permeabilidad superficiales o inspeccionar.o bobinas pueden muy cercanas a laQ indicar variación
debido a
imperfectos
superficie.
Esquema 2. Tipos de técnicas no destructivas utilizados para caracterización
del material. Fuente: ASM, Handbook tomo 17,2000.
No obstante que el empleo de ambos parámetros parece razonable
para calificar una técnica de inspección no destructiva, es necesario
precisar su interpretación cuantitativa al existir varios factores adicionales
que no dependen de la técnica en sí, y que afectan los resultados de
manera importante.
34
La eficacia de la inspección, como se mencionó anteriormente,
afecta la determinación de la condición del puente que se manda al
programa de mantenimiento. Puede jugar un factor importante en dirigir
el uso apropiado de los fondos disponibles y así evitar la pérdida de
hacer reparaciones innecesarias o prematuras. (Fisher, 1990)
Así vemos que el mejoramiento de la técnica no destructiva puede
afectar favorable ambos ámbitos; costos de reparación / rehabilitación
y eliminar la inspección y la reparación innecesarias.
35
2.
CASO DE ESTUDIO
El puente seleccionado para este estudio es uno de tipo atirantado.
Durante una inspección se observó que uno de los anclajes superiores se
había fracturado (ver Figura 2.2 C). La falla consistió en la fractura del
dispositivo superior del anclaje en una zona cerca a la soldadura con la
placa de soporte, la cual se presentó bajo condiciones normales sin que
existiera algún antecedente de sobrecarga. El dispositivo era de un
material ASTMA-148.
En este capítulo se expondrá este caso, que bien podría aplicar a
otros puentes con semejantes características. En donde el principal
factor para los ingenieros de puentes es asegurar la seguridad
estructural de los puentes en función y que servirán de base para
elaborar los nuevos puentes, con la base de datos que se obtenga. El
esquema de actividades realizadas en este puente se puede ver en la
Figura 2.1.
36
Inspección visual
Falla de un
anclaje
Prucbasde
laboratorio
.
Programa de
mantenimiento
Manufactura^***tiismo^s."^-^^ lote ^s0^
Evaluación
de los restantes
dispositivos en
operación
Prueba no
destructiva
Actualización de
inventario
Figura 2.1. Esquema de las actividades realizadas al puente en
estudio
2.1 ANTECEDENTES
Un puente atirantado se compone de una cubierta soportada
directamente por cables inclinados tensionados, anclados a una torre.
Ver Figura 2.2.
El sistema de anclaje superior lo compone el cable que llega, la placa
de soporte, aditamentos de sujeción, y un dispositivo que protege contra
la corrosión a la unión del cable con la placa.
37
Anclajesuperior
AnclajeInferior
Cubierta
B
A
Torre
Cable
revestido
. 1~~~ iñ^.
i i
1•" 1
j¿1
á
Figura 2.2. La figura A muestra la configuración de un puente
atirantado. B acercamiento del sistema de anclaje
superior. C Muestra el dispositivo del soporte de anclaje
INSPECCIÓN DEL ANCLAJE
Generalmente, las zonas que se supervisan en puente atirantado son
subesfructuro la cual contempla la torre, superestructura, tirantes y
anclaje.
38
Los daños que pueden ocurrir en los anclajes afectan el sistema de
cables, ya que son el principal elemento estructural del sistema, si la
unión se llega a fallar provocaría un daño catastrófico para la seguridad
del puente. Por tal razón es necesario inspeccionarlo integralmente.
Los daños que pueden ocurrir en los anclajes afectan el sistema de
cables, ya que son el principal elemento estructural del sistema, si la
unión se llega a fallar provocaría un daño catastrófico para la seguridad
del puente. Por tal razón es necesario inspeccionarlo integralmente.
El elemento que realiza la labor de cubrir al anclaje es el dispositivo de
soporte. Entonces En la Figura 2.1 se observa un corte del sistema
atirantado.
La atmosfera corrosiva es la razón principal (acumulación de
humedad y contaminación). Otro elemento es que los cable esta sujetos
a momentos flexionantes y otros efectos.
Los anclajes deben ser inspeccionados por señales de agua o
acumulación de agua. Si este tiene drenaje tiene que inspeccionarse
también.
Si existe acumulación de agua o indicaciones de corrosión del cable
en el anclaje, es viable realizar una inspección especial mediante
pruebas no destructivas.
La protección de pintura también debe inspeccionarse, además de
la movilidad de las partes debe checarse.
39
2.2 CAUSA DEL DAÑO
PRUEBAS DE LABORATORIO
INSPECCIÓN VISUAL Y FRACTOGRAFÍA
El aspecto macroscópico de la superficie evaluada no muestra daño
mecánico, sin embargo evidencia fractura a todo el espesor del tirante,
con morfología plana y brillante. Presenta un solo inicio en el centro de
una cara lateral y se propaga hacia el núcleo de la sección (ver figura
11). El análisis fractográfico realizado mediante el microscopio
electrónico de barrido (MEB) en la zona de inicio (fig. 12) indica que el
mecanismo de fractura es frágil por clivaje y sin rasgos de deformación
plástica.
Inicio de la falla. Su propagaciónes hacia el núcleo
Figura 2.3 Sección a inspeccionar. Presenta morfología plana y brillante
40
Figura 2.4 Fractura frágil por clivaje, visualizado en el MEB a 53x
Por otra parte, se encontró una cantidad importante de inclusiones y
porosidades con tamaños de hasta 15.24 mm. Lo cual indica que el
dispositivo fue fabricado mediante un proceso de fundición.
ANÁLISIS QUÍMICO
El análisis químico se comparó de acuerdo a sus elementos
constituyentes de la sección en prueba del soporte con los del ASTM A-
148 grado 80-50, obteniendo similitud.
41
ELEMENTO
SECCIÓN ASTM A-148
[%) Gr. 80-50
C 0.380 —
S 0.042 0.06 máx.
Mn 0.750 —
P 0.036 0.05 máx.
Si 0.530 —
Cr 1.260 —
Ni 0.700 —
Mo 0.080 —
Cu 0.338 —
V <0.010 —
Nb <0.010 —
Ti <0.010 —
*C.E. 0.833 —
Tabla 2.2.2.1. Comparación de prueba de A.
Vía de análisis: %C y S por combustión y detección infrarroja, el resto por
espectrometría de rayos X.
(*) Carbono Equivalente de soldabilidad, el cual se determinó por la
siguiente fórmula:
CR. = C + Mn + Cr + Mo + V + Cu + Ni6 5 15
Formula
ANÁLISIS METALOGRAFICO
La microestructura observada corresponde a granos de Ferrita y
Perlita en condición de tratamiento térmico de normalizado con tamaño
de grano ASTM 1-2 (ASTM E-2 y E-112). Esta característica de tamaño de
42
grano indica que es grande, por lo que implica bajas propiedades de
tenacidad, lo cual está relacionada directamente con la falla y se
atribuye a deficiencias del tipo metalúrgico, es decir, a la manufactura
del tirante.
Figura 2.5. Microestructura compuesta de
ferrita-perlita. lOOx
PRUEBAS MECÁNICAS
Figura 2.6. Microestructura compuesta de
ferrita-perlita. 500x
De acuerdo a las pruebas, que se realizaron a la sección del soporte,
las propiedades mecánicas de tensión (esfuerzo a la cedencia 59,226 psi
y esfuerzo máximo 86,338 psi), dureza 232 HB, (de acuerdo a los
estándares ASTM E-8 y ASTM E-10/96 respectivamente) cumplen con las
especificaciones del material ASTM A-148. La prueba de impacto no es
aplicable a este grado.
Sin embargo, como se aprecia en la Tabla 2.2.2, y según el estándar
ASTM E-8, se encuentra que el alargamiento es del 3% mucho menor a lo
especificado para este material que debe ser 22%. Por lo que no cumple
con la norma del material.
43
ESFUERZOESFUERZO
ALARGAMENTOREDUCCIÓN
DE EN 2%IDENTIFICACIÓN
CEDENCIA
MPa (psi)
MÁXIMO
MPa (psi)(%)
EN ÁREA
(%)
SECCIÓN 59792(408) 86338(595) 3 2
ASTM A-148 50000(550) 80000(550) 22 35
Tabla 2.2.2.2 Comparación en pruebas de tensión (ASTM E-8)
SECCIÓN | PROMEDIO
HB
ASTM A-148 232
SECCIÓN 1 232
Tabla 2.2.2.3 Comparación de pruebas de dureza(ASTM E-10/96)
2.3 ANÁLISIS DE FALLA
Dentro de las causas importantes de falla, se destaca el tamaño de
grano del material, producto de un inadecuado tratamiento térmico de
normalizado y después del proceso de colada y solidificación.
Como se mencionó en el anterior capitulo, la microestructura en los
aceros, es un factor importante en la iniciación y propagación del
agrietamiento. Una microestructura con bajos valores de tenacidad
desarrolla todos los elementos necesarios para producir agrietamiento o
puede proveer una matriz susceptible al agrietamiento, en el cual un
factor adicional como los esfuerzos a que está sujeta la pieza puede
operar con resultados destructivos.
44
La combinación de la baja tenacidad y la presencia de inclusiones y
porosidades es un medio propenso para que el crecimiento y desarrollo
de las grietas suceda de manera espontánea.
Estas condiciones deben actuar en combinación para causar la
fractura. Si el acero es susceptible desde este punto de vista, el nivel de
esfuerzos y deficiencias del material determinaran la velocidad de
propagación de la grieta.
En piezas que trabajan en situaciones de altos niveles de esfuerzos,
estos pueden ser suficientes para originar agrietamiento en la zona
afectada por el calor, especialmente en el caso de aceros de alta
resistencia.
Los resultados obtenidos indican que la falla se presenta a niveles de
esfuerzos de carga normales (tensión, flexión, vibración, etc..) sin
embargo, excedieron los límites marcados por la baja tenacidad del
material.
Es importante señalar que para que la fractura ocurra no es necesario
que el esfuerzo de iniciación y propagación de la fractura esté presente
en todo el volumen del cuerpo, pues basta con que este esfuerzo se
alcance en una región estrecha para que la fractura ocurra.
Por lo que, el material no cumplió con lo especificado en
propiedades mecánica para un acero estándar ASTM A-148 Gr. 80-50.
45
Por otra parte, e igual de importante es que la falla fue localizada
cerca de la zona afectada por el calor producida por la soldadura, que
es una región de alta concentración de esfuerzos. Este efecto
combinado con el tamaño de grano grande puede generar
propiedades mecánicas de poca resistencia a la fatiga o al impacto.
Según el carbono equivalente de soldabilidad (CE., función de la
composición química y es un indicativo del proceso de aplicación, ver
formula 1), es necesario un precalentamiento y un tratamiento térmico
post-soldadura si el resultado es superior a 0.4. En este caso el material
involucrado en la falla tiene un Carbono equivalente de 0.833 (ver Tabla
2.2.2.1).
EVALUACIÓN DE RESULTADOS
Los resultados anteriores fueron para el dispositivo que fallo, pero en
realidad para evaluar la seguridad global de la estructura se necesita
tomar en cuenta los restantes dispositivos. De la información recabada
por el inventario de puentes se encontró que, el suministro de los
dispositivos se realizo por lote. Por lo tanto, los otros dispositivos pueden
converger a un panorama de alta probabilidad de falla en condiciones
normales de operación, principalmente en aquellos fabricados por el
mismo proceso.
La respuesta ante esta situación, fue planear un plan para
inspeccionar los restantes dispositivos.
La técnica de inspección fue no destructiva, la de ultrasonido de
eco-pulso.
46
2.4 RESULTADOS DE UTILIZAR PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS PARA
CARACTERZACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS RESTANTES
El estudio se basó en las normas ASTM aplicables para examinar por
ultrasonido los materiales con la técnica de eco-pulso.
Consistió en establecer patrones. De acuerdo con el tamaño de
grano del material se estableció una relación con las propiedades de
propagación como la velocidad y la atenuación del eco.
Estableciéndose así dos patrones, para tamaños de grano ASTM grandes
y pequeños.
En el estudio por ultrasonido se encontró que el material de tamaño
grande, presentaba una alta disipación de energía (ASM Handbook, vol.
17). Tal es el caso del material del dispositivo que falló, que contiene
tamaño de grano ASTM entre 1 y 2).
Figura 2.7. Señal resultante de un material de Figura 2.8. Señal resultante de un material de
grano fino grano grueso
47
Los resultados de la inspección indicaron que existían más dispositivos
con el mismo problema, microestructura de grano grande (poca
resistencia a la fatiga e impacto, por lo tanto, es propenso a fallar).
El siguiente capítulo tratará de mostrar los antecedentes y desarrollo
de las técnicas no destructivas, como ultrasonido para medir el tamaño
de grano (caracterización del material por técnicas no convencionales).
48
3.
ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se expondrá las bases de la técnica para
caracterizar a un material, mediante la definición de las propiedades de
propagación de las ondas ultrasónicas en el medio. Además se
mostrarán los diferentes estudios que se han realizado para estimar el
tamaño de grano. Por último, se presentará un resumen de las
principales técnicas que han ocupado los estudios para la
caracterización de un material utilizando una técnica no convencional,
como el ultrasonido.
3.1 PRINCIPIO
Para conocer como se aplica la técnica de ultrasonido para la
caracterización del material, es necesario establecer los principios de
propagación de ondas mecánicas en los sólidos.
Para explicar cómo se propaga una onda, expondremos el modelo
que se propone en la literatura, el cual se basa en la ley de Hooke. La
deformación se puede mostrar a partir de un desplazamiento, tomando
49
para esto dos puntos de un cuerpo, al cual consideramos elástico. Para
que se deforme un cuerpo en su interior es necesario que partes del
mismo de desplacen, pero en diferentes magnitudes. Por lo que su
deformación puede ser longitudinal, cortante o una combinación de
ambas.
La magnitud que define matemáticamente la deformación se
expresa como:
FE =
EA Formula 1
Donde s: es la deformación
F: es la fuerza aplicada sobre un área A (a esto se le llama esfuerzo)
E: es la característica elástica de un material
Por lo tanto, podemos definir una onda mecánica como la
propagación de una deformación (también se utiliza el término
perturbación) en un medio elástico. Como hay una relación entre
deformación y esfuerzo, también se puede considerar como una
propagación de esfuerzos. (Landau 1998)
Existe una división según el rango de frecuencia para clasificar las
ondas mecánicas, basada en la capacidad de oír que tenemos los seres
humanos. Las ondas mecánicas con frecuencia superior a 15 KHz, se
clasifican como ondas ultrasónicas. En la práctica muchos autores
colocan el límite en 20 KHz. Se llama infrasonido a las ondas mecánicas
cuya frecuencia es inferior a 20 Hz. Queda por tanto el sonido ubicado
formalmente entre 20 Hz y 20 KHz, que es lo que puede percibir el oído
humano.
50
El handbook volumen 17 del ASM, por otro lado indica que, el sonido
se propaga por un medio elástico, de forma tal que la energía
introducida por la perturbación se desplaza a lo largo de él y se
transmite a otros medios formados por distintos materiales sólidos,
gaseosos o líquidos.
La característica de este movimiento es que la energía se desplaza
sin que haya desplazamiento de materia. A este tipo de movimiento se
le conoce como movimiento ondulatorio y representa una onda, que es
aquello que puede transportar energía e información a través de un
medio, aunque el medio en sí no es transportado.
Otros conceptos que maneja el tomo 17 del ASM, de las
características de la propagación son los siguientes:
Amplitud: Es la diferencia entre los valores máximos y mínimos del
movimiento ondulatorio en un punto. Representa la variación de presión
existente en ese punto.
Frecuencia: Es el número de veces que un fenómeno (periódico) se
repite a sí mismo por segundo. Es la inversa del periodo de repetición (T).
Se mide en Hertzios (Hz), que representa la cantidad de oscilaciones por
segundo.
Velocidad: Es la velocidad a la que viaja la onda sonora. Depende del
medio donde se propaga y de la temperatura. Es proporcional a la
longitud de onda (X) en una frecuencia (/).
v = Xxf Formula 2
51
Longitud de onda: Es la distancia perpendicular entre dos frentes de
onda que tienen la misma fase. Esta longitud es la misma que la
recorrida por la onda en un ciclo completo de vibración. Se denomina
con la letra griega lambda: [A)
Ondas Longitudinales: Cuando el movimiento de las partículas es
paralelo a la dirección de propagación.
Ondas transversales: Cuando el movimiento de las partículas es
perpendicular a la dirección de propagación.
Ondas superficiales
Las ondas superficiales o de Rayleigh se propagan en forma tal que el
movimiento de las moléculas sigue un patrón elíptico manifestando
ambos movimientos longitudinal y transversal, se presentan cuando el
haz de sonido incide en el sólido con un ángulo muy inclinado, y su
velocidad de propagación es aproximadamente el 90% de la velocidad
de propagación transversal.
Ondas de Placa o Lamb
Las ondas de Lamb, también conocidas como ondas guiadas u ondas
de placa, son una combinación de ondas transversales y longitudinales
que concurren sólo en placas muy delgadas (del orden de varias
longitudes de onda del sonido). Su comportamiento depende de la
densidad del material, y de sus propiedades: elástica, de la geometría
de la placa, su espesor y la frecuencia del ultrasonido.
52
PROPIEDADES QUE INFLUYEN EN LA PROPAGACIÓN
Una vez que tenemos las definiciones básicas, lo que sigue explicar
que es lo que debemos interpretar en una prueba de ultrasonido,
cuando se reciben las ondas de ultrasonido, después que el pulso
emitido se refleja, y refracta en las fronteras y discontinuidades del
material inspeccionado. Por tanto, es muy importante describir las
propiedades que influyen para la interpretación de lo medido.
A) La primera es la Impedancia acústica, que el handbook describe
como: el parámetro que determina la cantidad de reflexión en
cualquier lado de los límites de dos materiales. Es el producto de
densidad del material y la velocidad de longitud de onda [z = 6xv). Esto
quiere decir que para cada material le corresponde un valor diferente
de impedancia.
Si la impedancia de dos materiales es igual no existe reflexión, así
también pasa inversamente.
El porcentaje de energía incidente reflejado (R) de la interface entre
dos materiales depende de:
La relación entre impedancias (r) y del ángulo de incidencia. Cuando
este es igual a 0o (incidencia normal).
R =¡i
Ir
Formula 3
Donde Ir es Intensidad de haz incidente;
li es intensidad de haz reflejado
53
El coeficiente de transmisión (T) es la energía reflejada que se
transmite. Es lo que realmente se va transmitir de energía reflejada en la
prueba. Su expresión es: T = 1- R. El aire como interface con otro medio,
su coeficiente de transmisión es 0, por ser su densidad.
Si el ángulo de incidencia es igual a cero la transmisión y reflexión
ocurren en la interface sin algún cambio en dirección del haz. En otros
ángulos existe un cambio en la naturaleza del movimiento de la onda
(modo de conversión) y refracción (un cambio en dirección de la
propagación de onda).
wawelength vwvetength
:x —X•••• ••".
ctmaond
afscHarr
¡•¿•••2 •••••!•
directton of
oscillationdrection of propagaron
cíiection of propagation
A B
Figura 3.1. A ) propagación de onda con un ángulo de incidencia normal B)
propagación de onda con otro ángulo de incidencia
B) La intensidad del haz; es la energía transmitida hacia una unidad
de búsqueda; es proporcional a la presión acústica. Que es la
característica más importante de la onda de ultrasonido y determina la
cantidad de energía acústica de la onda, varia en la misma dirección y
con la misma frecuencia como la posición de la partícula cambia con el
tiempo.
La amplitud de señal de sonido que muestra la pantalla es un valor
proporcional a intensidad real del sonido reflejado.
54
C) Atenuación; La energía de ultrasonido se atenúa a medida que
atraviesa la pieza que se inspecciona, por lo que es más importante
conocer la intensidad sonora de transmisión o reflexión que se va a
medir, que la del pulso emitido. La pérdida de energía acústica
depende de muchas variables, entre las que destacan el material y la
geometría de la pieza inspeccionada; la frecuencia del sonido, el
acoplamiento con el transductor; la geometría del defecto, etc. En
general, la atenuación de una onda de ultrasonido ocurre por las
siguientes causas:
La pérdida en intensidad de retorno del haz ultrasónico es debida a la
disipación del haz desde su origen hasta que se distribuye en el área de
contacto.
La absorción; alteración de la propagación de onda por la
conversión de energía mecánica en calor. La pérdida termal reduce
progresivamente la energía de la propagación de la onda. La absorción
puede ser por una acción de rompimiento debido a un movimiento
oscilatorio de la partícula. Este movimiento es más rápido en alta
frecuencia. Por lo que la absorción aumenta directamente con la
frecuencia.
El scattering de una onda ultrasónica ocurre a causa de que el
material no es verdaderamente homogéneo, o existen discontinuidades
de cristales tal como el límite de grano, inclusiones, etc. Es altamente
dependiente del tamaño de grano y a la longitud de onda. Cuando el
tamaño de grano es menor al 1% de la longitud de onda del ultrasonido,
55
la pérdida es nula; en cambio, si excede el 10% de X, las fugas son del
orden del cubo del tamaño de grano. (ASM, 2000)
D) Efecto del campo cercano y lejano. Las ondas ultrasónicas solo
cubren una cierta sección del objeto de prueba. El área efectiva que
cubre se llama haz.
Los efectos del campo cercano y lejano del haz dependen de la
relación de la presión acústica y de la distancia de propagación de
ondas ultrasónicas. La propagación de las ondas ultrasónicas se da de
una manera compleja. A causa de un efecto de interferencia (que
altera la onda transmitida), las ondas se descomponen, siguen la misma
dirección pero algunas salen ligeramente de su fase con respecto a las
que están cerca. En su camino desde la fuente de generación de onda
(cara del transductor), existe una presión acústica máxima y mínima.
La región donde se establece la máxima y mínima presión acústica se
le denomina campo cercano del haz. Al avanzar sobre lo largo del eje
del camino del haz, la presión acústica aumenta (aumentando la
distancia del origen del haz, aumenta la presión). Donde la distancia d,
llega igual a la longitud del campo cercano N, la presión acústica lleva
a un máximo, y comienza a disminuir exponencialmente con el
incremento de la distancia (Figura 3.2).
La longitud del campo cercano se determina por el tamaño de la
radiación del cristal y la longitud de onda. Para un radiador circular de
diámetro D, la longitud se calcula así:
56
N =(D2-X2)
4X
Formula 4
Si, la longitud es pequeña en relación al diámetro del cristal D, N se
calcula:
N =D2 A_4Á nX
Formula 5
Para distancias más grandes que N (campo lejano), no hay efecto de
interferencia. Técnicamente, el campo cercano es un área convergente
(enfoque) y el campo lejano es parte divergente (esparcido).
11N = Longitud de campo
cercano
Jj1 X= Ángulo dedivergencia
El haz converger
íj
si
:
'•
1|
Campo Cercano
¡
li; .
Se esparce el hazni
•r.....
'-
Campo Lejano
...
1''•'•'.
•'••:•••:
íffiEje acústico(Haz central)
Figura 3.2. Campo cercano y campo lejano.
57
j.
Figura 3.3. Esquema físico que muestra el efecto de
campo cercano y lejano. A medida que
aumenta la distancia como cambia la
presión acústica.
J.2 BOSQUEJO HISTÓRICO
A continuación se muestran algunos estudios para estimar el tamaño
de grano mediante la determinación de las propiedades de
propagación de las ondas ultrasónicas en el material.
Los estudios presentados fueron obtenidos principalmente de lasrevistas, Ultrosonic, Materials Evaluation, Journal of NondestructiveEvaluation, Journal Acoustic Society American, entre otras; depublicaciones de la European Conference on Non-destructive TestingECNDT, Jornadas Iberoamericanas en Ultrasonido e Imagen Ultrasónica,Bell Telephone Laboratories, entre otros.
ANO
1929
1930
1947
1948
CRONOLOGÍA DE ESTUDIOS RELACIONADOS
The Measurement of Sound Absorption Coefficients by the Reverberation
Measurement of sound transmission
Energy Losses of Sound Waves in Metals Due to Scattering and DiffusionA Method for Determining the Propagation Constants of Plastics at UltrasonicFrequencies ^^^=^^^=_=^^^^^^_=
58
1951
1956
1956
1959
1960
1960
1960
1960
1961
1961
1961
1962
1962
1964
1964
1965
1966
1966
1966
1968
1968
1968
1968
1969
1969
1969
1969
1972
1972
i
Determination of the Equation of State of Solids by Ultrasonic Methods
Fatigue Mechanism in fcc Metals at Ultrasonic FrequenciesUltrasonic Attenuation at Low Temperatures for Metals in the Normal andSuperconducting States
Method for Measuring Ultrasonic Wave Velocities in SolidsPulse Superposition Method for Measuring Ultrasonic Wave Velocities inSolids
Ultrasonic Attenuation in S.A.E. 3140 and 4150 Steel
Effect of Diffraction on Velocity of Sound
Empirical Study of the Effect of Diffraction on Velocity of Propagation of High-Frequency Ultrasonic Waves
Pulse superposition method for measuring ultrasonic wave velocities in solidsUltrasonic Detection of Changes in the Elastic Properties of a 70-30 Iron-Nickel Alloy upon Heat Treatment
Measurement of Ultrasonic Wave Velocities for Solids in the FrequencyRange 100 to 500 Me =^^^==^^^=Analysis of pulse superposition method for measuring ultrasonic wavevelocities
Ultrasonic velocity and attenuation: measurement methods with scientific andindustrial applications Construcción
Ultrasonic Attenuation and Velocity in Three Transformation Products in Steel
Revised Grain-Scattering Formulas and Tables.
Ultrasonic Attenuation Caused by Scattering in Polycrystalline Metals
As a function of temperature and pressure
Structural Characterization of Mechanical-lmpedance Techniques
Ultrasonic Attenuation Caused by Scattering in Polycrystalline MetalsUltrasonic attenuation caused by Rayleigh scattering by graphite nodules innodular cast iron
Variation of Ultrasonic Grain-Scattering Factors with Velocity
Measurement of Ultrasonic Attenuation and Phase Shift in the Presence of
Noise
Fatigue Mechanism in Iron at Ultrasonic Frequency
Ultrasonic methods in solid state physics
Ultrasonic Measurement of Elastic Moduli at Elevated Temperatures, usingMomentary Contact =^===_^^=_=_^^^^^=^^^^^^Attenuation and Scattering of High Frequency Sound Waves in Metals andGlasses
Stress-Corrosión Crack Detection and Characterization Using Ultrasound,
Strength, elasticity and ultrasonics
Ultrasonic detection of fatigue damage
59
1973
1974
1974
1975
1975
1976
1976
1977
1978
1978
1979
1979
1979
1980
1981
1981
1981
1981
1981
1982
1982
1984
1984
1985
1986
Materials testing by ultrasonic spectroscopy
Assessing the Nodularity of Nodular Iron by Ultrasonic and Sonic TestingUltrasonic measurements of Young's modulus and extensional waveattenuation in refractory metal wires at elevated temperatures with applicationto ultrasonic thermometry
Ultrasonic testing of materialsApplications of Ultrasonic Interference Spectroscopy to Materials and FlawCharacterization
Ultrasonic diffraction loss and phase change in anisotropic materialsUltrasonic velocity and attenuation measurement methods with scientific andindustrial applications
Quality Control and Assurance by Sonic Resonance in Ductile Iron CastingsQuantitative ultrasonic evaluation of mechanical properties of engineeringmaterials
On the determination of phase and group velocities of dispersive waves insolidsExploration of heterogeneous dúplex grain structure in type 304 austeniticstainless steel using ultrasonic spectroscopy
Use of ultrasonic goniometer to measure depth of case hardening
Ultrasonic and Acoustic Emission detection of fatigue damageThe Characterization of Focussing Ultrasonic Transducers by Means ofSingle Frequency Analysis
Ultrasonic characterization of fatigue in advanced composite materials
Elastic wave propagation in materials with columnar grain structure
Wave propagation for metalography and materials characterization
Ultrasonic testing: nonconventional testing techniques
Characterization of microstructure by backscatter ultrasonic wavesUltrasonic and Mechanical Characterizations of Fatigue States of GraphiteEpoxy Composite
The effect of grain size distribution on the frequency dependence of theultrasonic attenuation in polycrystalline materialsReview of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation: Vols. 10A and10B
Non-destructive analysis of the structure of pressure vessel steels bymicromagnetic testing techniquesUltrasonic attenuation; microstructure and ductile to brittle transitiontemperature in Fe-C alloys
Analytical ultrasonics in material research and testingMonitoring of intergranular corrosión in austenitic stainless steels AISI 304 bynon-destructive testing methods
Ultrasonic evaluation of thermal embrittlement
Application of pulse-echo ultrasonics to lócate the solid/liquid interface duringsolidification and melting
60
1986
1986
1987
1987
1987
1988
1988
1990
1992
1992
1992
1992
1993
1995
1995
1995
1996
1996
1997
1997
1997
1997
1997
1997
1997
1997
1997
1998
1998
Determination of grain size; hysterisis constant and scattering factor ofpolycrystalline material using ultrasonic attenuation
Development of instrument for on-line measurement of grain size in copperalloys and stainless steels
Grain size estimation using a statistical scattering model
Spectre evaluation of ultrasonic grain signáis
Ultrasonic materials characterization
Concepts for interrelating ultrasonic attenuation; microstructure and fracturetoughness in polycrystalline solidsAnalysis of the effect of graphite morphology on the elastic properties of cast¡ron
Testing and characterization of materials
Ultrasonic backscattering from random rough solid interfaces
Nondestructive Characterization of Materials: The Challenge of the 1990s
Advances in NDT techniques for flaw and materials characterization
Nondestructive characterization of materials for strength predictionUltrasonic characterization of Precipitation Hardenable 17-4 PH StainlessSteel'
The effects of noise
Acoustic characterization of metáis with columnar grains
Ultrasonic velocity measurements for estimation of grain size in austeniticstain less steel
New techniques for the characterization of materials in situ using ultrasound
Material characterization using micro-machined air transducers (A)
Nondestructive testing handbook
Dynamic ultrasonic resonant testingReport on the Measurement of Elastic Properties of 51XX Series Steels forthe Heat Treatment Distortion Project
Acoustic Birefrigence: Methods and Difficulties in Material Characterization
Non-destructive characterization of materials
Non-destructive characterization of materials
NDE methodologies for characterization of defects; stresses andmicrostructure in pressure vessels and pipes
Recent trends in nondestructive evaluation of materials
Characterization of microstructure in steels by magnetic techniques - Anoverview'
Investigaron of the austenitic structures by ultrasonic spectral analysisMethod to Employ RUS to Measure Tensile Strength and Hardness, USPatent Application
61
1998
1998
1998
1998
1998
1999
1999
1999
2000
2000
2000
2000
2001
2001
2001
2001
2001
2001
2001
2003
2003
2003
2003
2003
2004
2004
2004
2006
2006
Characterization of elastic materials by resonance acoustic spectroscopy (A)Fatigue damage assessment by nonlinear ultrasonic materialscharacterization Ultrasonics
Ultrasonic attenuation measurements to determine onset; degree andcompletion of recrystallizationThe study of the ultrasonic transducers influence on the materials nondestructive testing quality by ultrasonics
Investigaron of the austenitic structures by ultrasonic spectral analysis
Experimental Investigation of the Grain Noise in Interferometric Detection ofUltrasonic Waves
Characterization of Industrial Materials
Qualification of beta heat treatment of uranium fuel rods by ultrasonics
The use of the neural networks in the recognition of the austenitic steel types
Ultrasonic scattering in polycrystalline material with elongated grains
Ultrasonic Methods to Detect and Evalúate Damage in Steel
Ultrasonic characterization of materials hardness
Knowledge based assistant for ultrasonic testing methodology of metáis
Diffuse backscattered ultrasound for material Characterization
Spectroscopy and Materials Characterization
Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures
Simultaneous Velocity, Thickness and Profile Imaging by Ultrasonic SeanAgeing material evaluation and studies by non-destructive techniques(AMES-NDT)
Medida de los parámetros acústicos en sólidosLimitations on the Detection of Casting Discontinuities Using Ultrasonics andRadiography
2003 ASNT Fall Conference and Quality Testing Show Highlights MaterialsCharacterization
Correlation between ultrasonic shear wave velocity and Poisson's ratio forisotropicsolid materials =^^_^^=^^=^^=
ULTRASONIC nondestructive evaluation
Grain size influence on ultrasonic velocities and attenuation
An automated algorithm for simultaneously determining ultrasonic velocityand attenuation
Ultrasonic spectroscopy based on wavelets transform for materialscharacterization
Characterization of Austempered Ductile Iron Through Barkhausen NoiseMeasurements
Accurate time domain computation of
Ultrasonic wave measurements: frequential energy attenuation
62
2006
2006
2006
2006
2006
2007
2007
2007
Structural noise in modelisation
Ultrasonic Probes for Special Applications
Ultrasonic Testing Possibilities of Cast Iron IngotsCharacterization of Microstructures in Metallic Materials using Static andDynamic Acoustic Signal Processing TechniquesApplications of láser ultrasonics (lus) to studies of microstructural andmechanical properties of metáisCharacterization of elastic anisotropy of a solid píate using nonlinear Lambwave approachUltrasonic measurement of anisotropy and temperature dependence ofelastic parameters by a dry coupling method applied to a 6061-T6 alloyApproaches for evaluating Young's and shear moduli in terms of a singleSAW velocity via the SAM techñique
3.3 TÉCNICAS DE ULTRASONIDO
Las características para relacionar las propiedades de propagación
con la estimación del tamaño de grano por técnicas de ultrasonido,
encontrados en la literatura son:
A)
B)
Atenuación de componente
de onda en varias
frecuencias
Magnitud de ecos
producidos por estructura
interna
C) Velocidad de sonido del
material
63
Las técnicas que existen para la medición de los parámetros de
propagación son de onda continua y pulsada, los más utilizados para la
caracterización de material son los últimos. En el ASM Handbook en su
tomo 17, muestra dos métodos de pulso, el de transmisión y de pulso-eco
(ASM17, 2005).
En el de transmisión se realiza una medición de la señal de
atenuación únicamente, y se basa en comparar la intensidad de
ultrasonido transmitido hacia la pieza con la intensidad transmitida hacia
una referencia estándar hecha en el mismo material. Se necesitan dos
unidades de búsqueda (transductores), emisor y receptor.
La técnica de pulso eco es la más utilizada por la ventaja de revisar la
pieza por solo un lado y se pueden revisar espesores de más de 7 mm
(Frederick, 1965). Mide el tiempo de transito de la señal y como la señal
se atenúa.
Dentro de la técnica pulso eco existen dos puntos de vista
complementarios. Un criterio se basa en estimar el tamaño de grano en
base a la estructura del material y el otro en lo que produce el defecto
en el material, relacionado con la defectología (Rose 1988). En los dos
criterios se tiene que considerar factores de interacción entre la onda
ultrasónica y el material, ya que su conocimiento es necesario para
comprender como el ultrasonido puede ser usado para estimar el
tamaño del grano (Riebel, 1989). De estas características de interacción,
se ha partido para estudiar la estimación del tamaño de grano.
El siguiente cuadro realizado por Nagy (Nagy, 2003) muestra los dos
puntos de vista y sus diferencias.
64
CRITERIO 1: CRITERIO 2: CARACTERÍSTICAS DE INTERACCIÓN
Alta frecuencia en El medio de propagación es en Fenómeno físico debido a la interacción con
medio elástico un medio imperfecto imperfecciones del material
Isotrópico Anisotrópico Anisotropía (orientación)
Textura Fases
Granos columnares Esfuerzos residuales
Limites de grano
Homogéneo No homogéneo Ruido
Policristalino Dispersión
Bi-fase Atenuación.
Poros
Lineal No lineal Generación armónica
Plástico Elástico - acústico
Fatiga Grieta
Libre atenuación Atenuación Absorción
Aire, agua Viscosidad
Polímeros Conducción de calor
Granos gruesos Dispersión (scatter)
Porosidad No homogeneidad elástica
Irregularidad geométrica
Sin dispersión Dispersivo Relajación
Intrínseco (Polímero) Resonancia
Geometría (onda guía) Velocidad de fase y grupo
Distorsión del pulso
Independiente de Dependiente de temperatura Cambio de velocidad
temperaturaNo linealidad
Esfuerzos residuales
Expansión termal
Transformación de fase
65
Contenido de humedad
No defectos Defectos
Grietas, desuniones,delamínación
Reflexión, difracción, atenuación, cambio de
velocidad, dispersión, no linealidad
Límite ideal
Plano, liso, interface de
unión rígida
Imperfecciones en límites
Curvado, rugosidad,deslizamiento, interface
Modo de conversión
Refracción, difracción, dispersión.
Tipo de onda canónica
Onda plana
Onda esférica
Armónica
Tipo de onda compleja
Amplitud
Enfoque
Impulso
Disgregación del haz
Difracción
Distorsión
Fuente: Nagy Peter, Ultrasonic nondestructive evaluation, DAEEM,2003
El primer criterio es determinista (You 1991), envuelve el estudio de los
parámetros relacionados con el material homogéneo, el campo
acústico que actúa sobre este y la señal resultante, mediante un
procedimiento especifico basado en las reglas de un método, como el
de pulso-eco, para lograr el objetivo de estimar el tamaño de grano. Su
aceptación de uso se debe a la flexibilidad. Por otra parte, la exactitud,
depende del control de los fenómenos que intervienen en la generación
de la señal (Ljung 1987).
El otro criterio, considera a la señal que procede de la estructura del
material dispersivo; lo que permite modelar, simular y deducir sobre la
propia naturaleza del fenómeno (Saniie 1988), como un proceso
aleatorio. Este criterio es llamado Retrodispersión (del inglés
backscattering).
A continuación, se describe la técnica de pulso eco utilizada para
estimar el tamaño de grano, basada en el primer criterio. Y después se
desarrolla la técnica de retrodispersión.
66
3.3.1 PULSO- ECO
La técnica que a continuación se desarrolla, se basa en el método de
pulso eco, utilizando una propagación de onda longitudinal introducida
por un transductor de haz recto en contacto directo con el material.
(ASTM E-114, 2000)
La técnica se basa en que, una serie de pulsos eléctricos se aplica a
un elemento piezoeléctrico (transductor) que convierte estos pulsos a
energía mecánica en la forma de ondas pulsadas en una frecuencia
nominal. Este transductor transmite las ondas en el material a través de
una superficie conveniente y el copiante. El material de respaldo, la
placa de contacto, y el conector eléctrico componen la unidad de
búsqueda (transductor).
m
K "N ^EMlMaterial de
^^*^^H^i
respaldo "-—m
Conector cable coaxial
Electrodos ew
Elemento ¡ -
piezoeléctrico
^*=~ ~^^
Placa de
contacto
Figura 3.4. Componentes de una unidad de búsqueda (transductor). Haz recto.
67
La energía pulsada se transmite en los materiales, recorriendo una
dirección normal a la superficie de contacto, y es reflejada de nuevo a
la unidad de búsqueda por los interfaces de discontinuidad o del límite
que son paralelos a la superficie de contacto.
El tiempo t que realiza la onda para viajar por el espesor de la pieza
en experimentación d y regresar al transductor, es utilizado para la
medición de la velocidad ultrasónica.
El tiempo de vuelo es gráficamente mostrado utilizando un
osciloscopio. Para evaluar los ecos en la pantalla existe una cuadricula
dentro del aparato con graduación.
El método de pulso-eco de superposición, que se basa en la
recolección de señales sucesivas de ecos de reflexión, que son
superpuestas en el osciloscopio, ajusfando el eje de las abscisas con el
portador de frecuencias, cuyo período es el tiempo de vuelo entre las
señales de interés. De esta manera, mientras una señal aparece en el
primer barrido del osciloscopio, la siguiente aparece en el próximo
barrido, y esta se procesa.
La velocidad ultrasónica es determinada por la fase y la atenuación
es determinada por la amplitud.
68
PROCEDIMIENTO PARA MEDIR EL TAMAÑO DE GRANO
DETERMINACIÓN DE VELOCIDAD Y ATENUACIÓN
Un pulso de la onda ultrasónica se propaga en el acero a diferentes
frecuencias. El espectro de fase f(w) y la amplitud del espectro A(w) son
obtenidos mediante una transformada FFT (del inglés Fourier Fast
Transform), la cual se puede realizar a través de un programa
computacional. La obtención del espectro de fase y la amplitud del
espectro, son valores necesarios para calcular la velocidad de fase y la
atenuación, los cuales se calculan a través de la siguiente relación:
2„dlitu) -
¡l(t») •
9M-9M Formula 13
\nAAm)-ltiAJÍai)
2íi
Donde ¿y, es la frecuencia angular. Así v [co) ya (a>) son la velocidad
de fase y atenuación de onda respectivamente, Aj [m) y </>\ [&) (¡ = 1, 2)
son las amplitudes y espectro de fase cuyos subíndices 1 y 2 representan
directamente el eco de reflexión que llega a la muestra.
69
Equipo de UltrasonidoUSN 52 L
I
Transductor
Muestra -
Osciloscopio
iffl=H
Pesa
r\--
Computador
Figura 3.6. Arreglo para medir las propiedades de propagación. Fuente:
BUITRAGO, Velocidad y atenuación ultrasónica en muestras de acero
al carbono, revista técnica, 2004.
Buitrago, et al. Experimentó con 3 muestras de acero con diferentes
cantidades de carbono con tratamiento térmico de recocido. Las tres
muestras tenían la misma dimensión y acabado superficial. El arreglo
para la medición de las propiedades de propagación se muestra en la
Figura 3.6.
Dichas muestras fueron inspeccionadas empleando la técnica de
pulso-eco por contacto, utilizando un transductor recto y con frecuencia
central en el intervalo de 1.5 a 10 MHz.
Las medidas que se tomaron para evitar errores fueron, que para
establecer una igual presión acústica, se instalo una pesa, además para
evitar error en la lectura, se tomaron 10 mediciones para cada
frecuencia tomada.
Los resultados de las mediciones se muestran en la Figura 3.7 y 24. Las
velocidades y atenuaciones fueron diferentes para cada tipo de acero.
La gráfica para cada acero muestra que la velocidad se mantuvo
70
constante. Mientras que la atenuación, a medida que aumento la
frecuencia aumentó el coeficiente de atenuación.
6000-
5980-
,- 5960-
1- 5940-
H ^920-
"fi 5900
> 5880-
5860-
5840-
♦ Muestra A•-•
•— •—•
-••*"• Muestra C^. *_.—• *
1.3 2.25 5 7.5
Frecuencia (MHz)
10
Figura 3.7. Medición de velocidad. Fuente: BUITRAGO, Velocidad y
atenuación ultrasónica en muestras de acero al carbono,
revista técnica.
140
120
100
80
60
40
20
0
1.5 2.25 5 7.?
Frecuencia (MHzi
10
•Muestra A
•Muestro B
•Muestra C
Figura 3.8. Medición de atenuación. Fuente: BUITRAGO, Velocidad y
atenuación ultrasónica en muestras de acero al carbono,
revista técnica.
El autor también indica que el comportamiento de la velocidad
ultrasónica longitudinal, indica que las muestras tienen un material
homogéneo, ya que no existe variación significativa con respecto a las
diferentes frecuencias empleadas. La velocidad de fase es
prácticamente la misma en el espectro de frecuencia. El autor añade
que, el hecho de que no se presenten variaciones de velocidad en una
71
misma muestra, con respecto a las diferentes frecuencias empleadas, es
un indicativo de que el material es un medio no dispersivo para el
ultrasonido, lo que implica que un pulso ultrasónico puede viajar dentro
de estos aceros sin sufrir deformación, debido a diferencias en las
velocidades de propagación de sus componentes. Y concluye que la
variación de las velocidades en estas muestras se deben a la diferencias
de concentración de carbono (densidad y forma de propagar), como
lo indica la gráfica.
Por otra parte, el autor se refiere al fenómeno de atenuación ocurrido
en las muestras. Menciona que el efecto se debe a los diferentes
tamaños de grano entre las muestras. Y concluye que si el tamaño de
grano fuese constante el efecto se relacionaría con procesos de
absorción y dislocación, producto de la concentración directa del
carbono.
Por último, para obtener un clasificación de los tamaños de grano, se
puede establecer los datos obtenidos de la muestra como un patrón
que pueda diferenciarse de otros patrones (caracterizar). Los cuales
pueden conformarse basándose en los tamaños de grano del ASTM,
obtenidos de la metalografía. Badidi Bouda, en su artículo titulado
"Ultrasonic NDE of Materials Grain Size and Hardness", resume lo
realizado por el Welding and Control Research Center (CSC) en donde
evaluaron cualitativamente la dureza de un material y su tamaño de
grano por ultrasonido. Estos experimentos fueron controlados y
comparados con métodos convencionales (Bouda, 2003).
72
CONSIDERACIONES DE LAS PROPIEDADES DE PROPAGACIÓN A MEDIR
VELOCIDAD
La velocidad ultrasónica es una propiedad particular de los
materiales que ha sido aplicada para su caracterización. Este parámetro
se ocupó para estimar el tamaño de grano en acero inoxidable
austenítico (Petculescu, 1998). Las ondas ultrasónicas se propagan en
medios homogéneos a una velocidad propia para cada material (ASM
Handbook 17, 2000). En la determinación de este parámetro ocurren
ciertos errores que deben tomarse en cuenta, lo cual le resta valides al
estudio.
La determinación de la distancia de propagación (camino acústico)
y el tiempo empleado en recorrer la distancia asociado (tiempo de
vuelo), son dos aspectos que deben tomarse en cuenta para obtener
resultados precisos (Buitrago 2004). Existe una diferencia de entre
medios homogéneos y los no homogéneos, esta es que en los segundos
se presenta el fenómeno de dispersión, por lo que debe diferenciarse
entre la velocidad que se presenta para cada frecuencia (velocidad de
fase) y la velocidad con que se propaga un grupo de ondas (velocidad
de grupo) (Palamichamy, 1994).
VELOCIDAD DE FASE
La propagación de un caso muy simple de onda plana, puede
expresarse por la ecuación:
i(cot-kx)u = u0e
Formula 6
73
donde co=27tf es la frecuencia angular, y k=2n/X, es el llamado vector de
onda, definido a través de la longitud de onda X Esta solución que
refleja la propagación de una onda continua de frecuencia única
(propagación armónica), permite definir la velocidad de fase:
_ CO . r Formula 7C = — = Af
k
Que significa la propagación de un punto de fase constante, como
se muestra en la fig. 21. A diferencia del clásico concepto de velocidad
que tenemos de la mecánica, donde medimos el tiempo transcurrido
durante la traslación de un cuerpo de una posición a otra, la velocidad
de fase considera la traslación de un punto de la onda, no de la onda
en sí, pues la misma es de extensión infinita. (Gordon,1987)
Quiere decir que si consideramos dos transductores (emisor y
receptor), ambos estarán conectados en forma continua por dicha
onda.
¡Jirtclran at prcp*g»r*r. _
/íitjnc»
w>*l»im
Figura 3.5. Velocidad de fase
74
VELOCIDAD DE GRUPO
La velocidad de grupo está dado por:
dcor =c* dk
Formula 8
Para definir esta velocidad y su diferencia, se establece la relación entre
ambas velocidades.
dCFormula 9
La relación de la formula (9) lleva intrínseco el concepto de
dispersión (no confundir con "scattering" del inglés). Si examinamos la
expresión anterior veremos que ambas velocidades son iguales si C es
independiente de la frecuencia [X). Existen situaciones, en donde ambas
velocidades dependerán de la frecuencia y serán diferentes. Este
fenómeno es la llamada dispersión, que se refiere a la dependencia de
la velocidad de fase (y de grupo) con la frecuencia. El origen, se debe
a las características geométricas del material o a las propiedades no
elásticas del mismo, y reciben el nombre de dispersión geométrica o
viscoelástica según sea el caso.
El modo en que se propaga una onda longitudinal en un material
homogéneo (densidad constante), puede expresarse de la formula de
Lame (formula 10)
£udt2
= (A+2//)V(V-W)-^Vx(V><W)Formula 10
75
Yes:
CL =A+2fii
Formula 11
Donde Xy u. son constantes elásticas, conocidas como constantes de
Lame (por un problema histórico se utiliza el mismo símbolo que el de
longitud de onda), pes la densidad constante.
En este modo de propagación no existe el fenómeno de dispersión,
por lo que las velocidades de fase y grupo coinciden.
Por lo tanto, lo importante es conocer que en un fenómeno de
propagación la influencia de fronteras impuestas por la geometría del
material puede conducir al fenómeno de dispersión,
independientemente que escojamos un tipo de transductor. Por otro
lado tenemos que no todos los materiales son elásticos y se puede
presentar el fenómeno de viscoelasticidad que provoca la dispersión
del mismo nombre, independiente a la situación geométrica del
material.
ATENUACIÓN
La otra propiedad de propagación es la atenuación de señal que
anteriormente se describió.
En este caso se cumple una ley del tipo
A = A0e(-al)Formula 12
76
A y Ao: amplitudes final e inicial de una onda que atraviesa un material
de longitud I, a es el coeficiente de atenuación, que caracteriza
acústicamente al material (además de la velocidad).
La atenuación ultrasónica en sólidos puede llegar de:
a) Desviación de energía del haz ultrasónico el cual principalmente
depende en la configuración de la geometría del sistema (pieza
de prueba y transductor).
b) Características de atenuación del material policristalino.
La medición absoluta de la atenuación es muy difícil a causa de que
la amplitud del eco no depende solamente en la atenuación, sino que
también depende de otros factores (geometría de la pieza, unión, y el
transductor). La medición relativa, es la que se efectúa en los
experimentos, utilizando los cambios en la atenuación durante una
medición dada. De aquí que la atenuación es calculada por comparar
la altura de dos ecos sucesivos mostrados en el osciloscopio.
Las unidades de atenuación se dan en dB (o Neper) por unidad de
longitud. En muchos casos se expresa una dependencia adicional con
la frecuencia.
3.2.3 RETRODISPERSIÓN (DEL INGLES BACKSCATTERING)
En la literatura consultada se centran en utilizar dos principales formas
de inducir atenuación debido a las propiedades de propagación a
través de un sólido policristalino; una es por el fenómeno de absorción
77
(conductividad térmica) y el otro es la dispersión. El primer fenómeno, los
autores coinciden que se puede se puede suprimir ya que en materiales
policristalinos, su efecto es reducido en comparación del fenómeno de
dispersión. Solamente se debe tomar en cuenta cuando se incrementa
la frecuencia.
Por el otro lado, cuando se propaga una onda ultrasónica a través de
un material no homogéneo (granos, porosidad, inclusiones, precipitados,
etc.), causan dispersión, pues reduce el cociente de la
señal/interferencia, pero por el otro lado, podría ser utilizada también
para caracterizar estos dispersores (tamaño de grano). (Kruger, 1998).
En esta técnica se utiliza el mecanismo de dispersión (scattering) para
demostrar como un elemento dispersivo (grano) del material
policristalino induce atenuación en la señal, conocido como ruido
(Stanke, 1984).
La Figura 3.9, muestra un esquema basado en la modelación de
Naggy y Saniie, En la cual una amplitud de onda cambia por
encontrarse en su trayectoria a un dispersor (Saniie, 1988) (Nagy, 2003).
78
Modelo de la señal
recibida
Figura 3.9.
♦
ONDA INCIDENTE
AMPirrUD(Ai)
0
La señal recibida
corresponde a una
amplitud de onda
ultrasónica incidente
(Ai), causada por un
transductor normal
♦
DISPERSOR
(SCATTERER)ONDA DISPERSA
AMPLTrUD(Ad)
Transición de la
amplitud, causada porla diferencia de
propiedades elásticasdel dispersor y elmedio y el volumen el
dispersor
♦La señal recibida esta en
función de la amplitudde la onda (Ad) a unadistancia r del dispersor y
en función de la
dirección.
Esquema del modelo en que se basa la fécnica de
retrodispersión (backsacttering). Basado en Saniie y Naggy
El grano como dispersor (scatter), convierte la energía del haz de
coherente a incoherente, diverge las ondas como un resultado de
interacción de las ondas con la no homogeneidad del material. De esta
manera, el fenómeno scattering no solo reduce la señal coherente sino
que aumenta el ruido en el material lo que limita la detectabilidad de la
señal atenuada.
La pérdida de amplitud de señal que producen los dispersores como
atenuación (L), se puede expresar por una distancia de propagación (d)
por un coeficiente de ajuste de la atenuación inducida por dispersión (
a). Siendo este último exponencial.
L-a-d Formula 13
79
Implícitamente el coeficiente de atenuación (a), esta en función de
la forma, orientación, cantidad y tamaño del grano, por lo que su
determinación es complicada por todas las variables que le rodean.
Mediante la espectroscopia ultrasónica, se puede obtener resultados
relativos del coeficiente; realizando análisis de las señales ultrasónicas
que proceden del sólido, utilizando la técnica de pulso eco
(superposición) y evaluados con modelos aleatorios que permitan
interpretar el ruido del grano, por supuesto, estableciendo postulados
que permitan acercarse a resultados viables.
MODELOS
Para estimar el tamaño de grano, se utilizan modelos físicos y
matemáticos, que consideran a la señal que procede de la estructura
del material como un proceso estocástico (Saniie 1988).
Existen 2 casos para modelar el ruido estructural; estacionario y no
estacionario la diferencia es que los primeros suponen que los
parámetros de propagación no varían con el tiempo, y por tanto
consideran que la función de la reflectividad y atenuación no
dependen de la frecuencia del ultrasonido, sino únicamente de las
características del material. La modelación del ruido mediante un
proceso estacionario se basa en una longitud de recorrido pequeño, o
bien con un transductor de banda angosta. Las formulas 14 y 15
muestran las expresiones que responden a los modelos estacionarios y
no estacionarios, respectivamente (Izquierdo, 1999).
r(t) =YJ°K-S(t-tK)k=\
Formula 14
80
K
I¡t-1
r(t) =X °V (w).e-a{w)r* S(t- tK) Formula 15
Donde;
K Es el número de granos insonificados;
<jk Es el eco procedente del reflector k-esimo
S (/) Es el pulso ultrasónico que incide sobre el material
tK Indica la distancia temporal del reflector, considerando v/2, (v
velocidad ultrasónica)
Las formulas consideran que el ruido del grano es la suma de señales
de ecos reflejados por muchos dispersores (scatterers) dentro del campo
de la onda. La posición de profundidad en el metal da un retardo
temporal del eco reflejado. El diámetro del haz y un intervalo de tiempo
limitan un volumen, que contiene k número de dispersores (granos).
Entonces, durante la propagación, la onda incidente disminuye su
amplitud, y por lo tanto cada onda reflejada es atenuada en esta
retrodispersión, donde el tamaño del dispersor afecta la amplitud
resultante. La fórmula 15 considera la frecuencia (w) y el tiempo como
variable, dependiendo del tiempo no de la diferencia del tiempo.
Aunque los modelos no estacionarios son más complejos que los
estacionarios, según Izquierdo, hay que utilizar estos modelos para
obtener resultados precisos del ruido estructural (Izquierdo, 1999). Debido
a la dependencia de la señal en la frecuencia, atenuación y dispersión,
se utilizan técnicas de procesamiento de señal no lineales, para
determinar el tiempo de arrivo de diferentes componentes de la
frecuencia en la señal (Saniie, 1996). Así para cada instante de tiempo
81
se obtiene su información espectral y para cada frecuencia se obtiene
su evolución temporal.
Existen varias técnicas no lineales basadas en modelos estacionarios,
introduciendo parámetros adecuados para que sean variables con el
tiempo (Bellanger, 1987).
Son numerosos los tipos de técnicas de procesamiento de señal
basado en modelos no estacionarios (Hlawatsch, 1992), entre algunas
se encuentra :
• Tranformada localizada de Fourier
(Oppenheim, 1989)
• Distribución Wigner- Ville (Saniie,
1996)
• Distribución exponencial (Cohén,
1989)
• Transformada Gabor (Saniie, 1998)
• Transformada Ondiculas (wavelet)
(Bettayeb, 2004)
• Partición del espectro (Split
spectrum) ((Shankar, 1989)
• Redes Neuronales (Abdelhay,
2002)
Estos análisis tiempo-frecuencia descomponen la señal, considerando
una simple señal, ya que la señales sobrepuestas y el ruido relacionado
con la medición de la señal limita la estimación de los parámetros
acústicos (Bellanger, 1987).
82
Figura 3.10. Representación bidimensional de la señal,
utilizando transformada de Gabor. (Saniie,
PERFORMANCE COMPARISON OF TIME-
FREQUENCY DISTRIBUTIONS FOR ULTRASONIC
NONDESTRUCTIVETESTING, 1996)
Los modelos estacionarios, por su parte, no aportan información sobre
la aparición en el tiempo de sus componentes, ni su intensidad
instantánea. Se representa de manera unidimensional a diferencia de los
no estacionarios que se representan de manera bidimensional la señal,
(función de una frecuencia de un instante en el tiempo).
Los tipos de modelos estacionarios, Izquierdo, los divide en los que
son puramente estotacasticos (función de densidad, autocorrelación,
función espectral de potencia) y los que modelan la señal utilizando un
filtro lineal e invariante (con datos del transductor-material y
paramétricos). Por la sencillez que representa su análisis, existe una
amplia variedad de estudios en la literatura, sin embargo hay que
considerar las simplificaciones que se han realizado al considerar el ruido
como un proceso estacionario (Izquierdo, 1999).
83
SUPOSICIONES PARA MODELAR
a) LA SEÑAL DEL RUIDO
Los modelos estacionarios encontrados en la literatura suponen:
o Utilización de transductores normales para limitar el
efecto de enfoque debido al material policristalino. El haz
generedo por este se considera cilindrico de la superficie
del transductor a una distancia igual a la del límites del
campo cercano.
o Para que se pueda modelar el ruido mediante una
función de distrbución normal, el número de granos debe
ser elevado, debe ser un mterial anisótropo y no presentar
ninguna regularidad en el tamaño ni en la distancia entre
ellos (independientes e idénticamente distribuidos)
(Saniie J., 1988)
o Cuando no se conoce los momentos estadísticos de
segundo orden procedentes de la respuesta al impulso
del transductor, se utilizan modelos paramétricos para
minimizar los errores (Wang & Saniie, 1991).
Algunos modelos estacionarios, consideran separar el frente acústico y al
material, tomando en cuenta la onda que insonifica al material y una
función de reflectividad de los pequeños reflectores que componen al
material. El primer término se considera modelar como determinista, el
segundo como un proceso aleatorio considerando la reflectividad y la
84
distancia a la que están situados los granos como variables. En la
formula 14 se puede ver este modelo (Izquierdo, 1999) .
Para extarer información referente al tamaño de grano se caracteriza
estadísticamente utilizando únicamente la información proporcionada
por la estructura tK como variable y la función de reflectividad como
constante.
b) COEFICIENTE DE ATENUACIÓN
El coeficiente de atenuación es calculado de un promedio de la
envolvente de la señal, asumiendo que para tener mejores resultados se
debe tener una gran cantidad de datos y la varianza de distribución de
las señales.
o La región de dispersión se considera Rayleigh, donde la
longitud de onda A es mayor que el tamaño de grano,
por lo que:
o La energía del dispersor es suficientemente pequeña, que
el efecto múltiple de dispersión puede considerarse nulo.
(Botvina, Fradkin, & Bridge, 2000)
o El coeficiente de atenuación se supone en un medio
policristalino. Cada grano es visto como un simple
dispersor, existe una reflexión en límite del grano
dependiendo de la sección transversal del grano y en la
diferencias de impedancia con el medio que le rodea.
(Saniie J., 1988)
85
4.
EXPERIMENTACIÓN
La experimentación se realiza a dos tipos de materiales, acero
estructural y un acero vaciado, con diferente tamaño de grano, con la
finalidad de probar las propiedades de propagación de la onda
ultrasónica ante el tamaño de grano de los materiales, de la cual se
obtiene una discusión en el capítulo 5.
4.1 COMPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS
Se experimentan con dos materiales, uno estructural y el otro
vaciado. El primer material (muestra A) es un acero estructural ASTM A-
36, su composición química se indica en la tabla 4.1:
c Mn P S Si
0.26 0.60 0.04 0.05 0.04
Tabla 4.1 Composición de la muestra A
La tabla 4.2 contiene la una composición de la muestra B, un acero
vaciado al manganeso:
86
c Mn P S Si Cr Ni Mo
0.42 12.4 0.04 0.04 0.71 2.22 0.06 0.09
Tabla 4.2 Composición de la muestra B
4.2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
La muestra A obtenida de una barra de acero A-36 sección
rectangular sin tratamiento térmico, por otra parte, la muestra B se
obtiene de una sección de cabeza de martillo triturador de piedra.
Cada muestra se secciona y rectifica. El maquinado de las piezas se
realiza cuidando que el material no sufra sobrecalentamiento o trabajo
en frió, con la finalidad de no cambiar la micro estructura, además el
acabado superficial es igual en las dos muestras, para evitar cambios de
señal por rugosidad, las dimensiones son descritas en la figura 4.1.
S y
m
25 mm
4< >
60 mm
40 mm
Figura 4.1 Dimensiones de las
muestras
4.3 CARACTERIZACIÓN
Para caracterizar el tamaño de grano de las muestras A y B, se
realizan metalografías representativas de los materiales, utilizando un
microscopio óptico Olympus PMG3. Los estándares utilizados para
87
determinar el tamaño promedio del grano son la ASTM E 112-96 (ASTM-
El 12, 2004) y NMX-B-307-1988 (NMX-B-307, 1998), con los procedimientos
de intercepciones. Los resultados son comparados con los obtenidos
mediante el analizador de imágenes Image-Pro Plus.
Figura 4.2 Micro estructura de la muestra B. El
espécimen contiene un tamaño
de grano ASTM 1. (ASTM-E112,
2004)
Figura 4.3 Micro estructura de la muestra A. El
espécimen contiene un tamaño de grano
ASTM 9. (ASTM-E112, 2004)
88
Los resultados de la caracterización del tamaño de grano se
presentan en las figuras 4.2 y 4.3, donde se muestra una diferencia
significativa entre la micro estructura de los materiales. La muestra A
contiene una microestructura con un tamaño ASTM 1, mientras que la
muestra B tiene un tamaño ASTM 9.
4.4 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ULTRASÓNICAS EN LAS MUESTRAS
El equipo de ultrasonido para el estudio es un detector de fallas USN-
52, con transductor cilindrico de haz recto de 1.0 pulgadas, con
frecuencia 2.5 MHz. Se realiza una inspección sobre toda la superficie
de las muestras, y se observan los cambios en la propagación de ondas
ultrasónicas.
Figura 4.4 Indicaciones de la señal de ultrasonido obtenidas
con haz recto en la muestra B, que contiene un
grano grueso.
89
Figura 4.5 Indicaciones de la señal de ultrasonido obtenidas con
haz recto en la muestra A, que contiene un grano
fino.
4.5 RESULTADOS
Los resultados obtenidos del detector de fallas por ultrasonido
utilizando haz recto se ilustran en las figuras 4.4 y 4.5, donde existen
diferencias en las indicaciones de la señal ultrasónica entre los dos
materiales, esto es, existe una mayor alteración (ruido) en la muestra B (
ver figura 4.4) y por lo tanto, existe una atenuación de la señal.
90
5.
DISCUSIÓN
Dos principales factores se estudian como influyentes para que
tengan diferentes señales de ultrasonido durante la inspección:
Velocidad.
Diferencias en la velocidad se debe a la densidad de los materiales
propiciado por el contenido de carbono. La muestra A contiene casi la
mitad del que tiene la muestra B. El Handbook tomo 17 (ASM17, 2005)
indica que la densidad en el material es un factor para el cambio de
propagación de ondas de ultrasonido en el material. También Smith
indica la influencia de la concentración de carbono en la trayectoria de
viaje de la señal (Smith, 1987).
Cabe mencionar que, el medio de propagación es diferente para
ambas muestras. La muestra A tiene un medio homogéneo, mientras
que la muestra A presenta no homogeneidad para que se propague
una onda longitudinal, por las características y proceso de fabricación
de un acero vaciado (porosidades).
91
Lo anterior, indica que la velocidad que se presenta en la muestra B
se ve afectada por el fenómeno de dispersión, por los que según
Palanichamy (Palanichamy P., 1995), la velocidad es independiente a la
frecuencia, como se indico en el capítulo 3.
Atenuación
Respecto a la atenuación, y según lo que se ha revisado en el
capítulo 3, el factor que principal que altera la transmisión de la señal es
el tamaño de grano, por el cambio de continuidad de los límites de
grano (Saniie, 1996). Además, la frecuencia está directamente
relacionado con el tamaño de grano.
Frecuencia MHz
0 10 15 20
Figura 5.1 Relación entre la frecuencia y el coeficiente de atenuación para
diferentes tamaños de grano (Nagy, 2003).
92
La figura 5.1, muestra la relación que existe entre el tamaño de granoy el coeficiente de atenuación, entre mayor es el tamaño de granoincrementa la atenuación de la señal de ultrasonido. Ysi aumenta lafrecuencia de onda longitudinal del transductor, también aumenta laatenuación.
5.1 FUTURO TRABAJO
La siguiente etapa de la revisión bibliográfica, dentro del Programade Maestría en Tecnología de la Soldadura, se pretende realizar unestudio comparativo del ruido de la señal de ultrasonido que provocanlos límites de grano (discontinuidad en el cristal del material), endiferentes tamaños de grano y su influencia con la iniciación ypropagación de grietas, con el fin de elegir los mejores parámetros dediseño yseguridad para la unión de soldadura.
El figura 5.2 muestra el diagrama de experimentación para la fase deMaestría. Contempla dos tipos de materiales; estructural yvaciado, conpropiedades físico mecánicas conocidas, para utilizarlas en la unión deuna soldadura realizada por un proceso SMAW calificado.
El fin es el establecimiento de patrones de referencia de acuerdo ala señal ultrasónica de la relación tamaños de granos contra suresistencia a la fatiga.
93
MATERIAL CARACTERIZADO
AISI1S22, ASTM A-572
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
CAMBIO 0ETAMA.NO DE
GRANO
EQUIPO
HORNO PARA TRATAMIENTOS
TÉMICOS
EXPERIMENTACIÓN
SEGUNDA ETAPA ¡MAESTRÍA)
DESCRIPCIÓN DE
EXPERIMENTACIÓN
ELABORACK» DE PRUEBAS
ANLISIS METAL0G3AFICC
EQUIPO
EQUIPO DE METALOGRAFÍA
ELABORACIÓN, PULIDO,MICROGRAFIA
PLANEADOS DE LA
EXPERIMENTACIÓN
PRUEBAS DE
CARACTERIZACIÓN MEDIANTEULTRASONIDO
EQUIPO
ADÜUISiaÓN,TRANSFORMACIÓN Y
ANÁLISIS DE SEÑAL
CONCLUSIONES Y
RECOMENADCIOMES
PRUEBAS DE PROPIEDADES
DE FATIGA
EQUIPO
ASTM E-399
ASTM E-1820
Figura 5.2 Esquema de experimentación para la segunda fase.
La principal variable en la experimentación, es cambiar el tamaño de
grano, mediante tratamiento térmico, con diferentes periodos de
tiempo. La figura 5.3 muestra la transformación de los tamaños de grano
a un acero estructural ASTM A-572, y forma parte de la fase de
experimentación. Los tamaños de grano clasificados por ASTM varían
entre 7 y 4.
94
Figura 5.3 Transformación del tamaño de grano a un acero ASTM A-572,
mediante un tratamiento térmico de normalizado.
95
6.
CONCLUSIÓN
El caso de estudio presentado, reúne los elementos necesarios para la
descripción patológica de un elemento de unión en un puente,
sometido a cargas dinámicas y que está constituido de acero vaciado
aunado con los resultados de soldarlo.
Las variables que ofrece este caso, hacen necesario analizar al
material y de conocer las características de puesta en obra y después
relacionarlas con las respuestas de la estructura bajo las solicitaciones
exteriores.
Detectar una discontinuidad no es el problema en estructuras en
servicio, sino que, cuando se requiere conocer los datos que la
provocaron para realizar la evaluación, no se pueden realizar pruebas
destructivas. Por lo que, el empleo de "herramientas" como métodos no
destructivas se hacen indispensables.
El uso de estos métodos, permite asegurar la integridad de la
estructura y tener registros confiables que complementen datos como la
revisión del proyecto, inspección visual, análisis de materiales utilizados,
estudio de la respuesta ante solicitaciones exteriores.
96
Enestetrabajosepresentaunarevisiónbibliográficadelusodela
técnicadeultrasonidoparaidentificareltamañodegranoenuniones
depuentes.
Losresultadosobtenidosdeestarevisiónofrecen,enprimerlugar
establecerqueexisteenunmaterialunarelacióndetamañodegrano
consuspropiedadesdepropagacióndeondasultrasónicas
longitudinales.Además,unpanoramadelasbondadesylaslimitaciones
queofrecelatécnica.
Deloanterior,sepuededecirque,porestarelación,sepueden
realizarpatronesparacadatipodematerialyquelosobstáculosquese
tienenparalograresto,sonporunlado,losinherentesalajuntade
contactoqueseestableceentreelmaterialyeltransductordel
ultrasonido.Porotrolado,elmodelarelruidoqueprovocaelmaterial
anisotrópico,todavíaseencuentraanivelexperimental.
Porloquesenecesitarealizarunseguimientoeneldesarrollo
experimentalytecnológico,conlaayudadegruposinterdisciplinarios.
97
7.
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