Pruebas para metales

Un Comité de ASTM y sus pruebas esenciales

Por Cicely Enright

Hablar con un miembro del Comité sobre Pruebas mecánicas (E28) —que celebra este año su 50.º aniversario— es aprender sobre algo esencial para las estructuras que a menudo damos por sentado: los puentes que cruzamos, los edificios en los que trabajamos o vivimos, las piezas de nuestro automóvil y las aeronaves, y mucho más. Ese “algo” es el metal.

Antes de que el metal forme parte de un auto, avión, edificio o puente, ha pasado por muchos procesos. Y a lo largo del camino hasta convertirse en un motor o una viga, el metal ha sido probado una y otra vez. Estas pruebas miden las propiedades esenciales del metal y la aptitud para su propósito. Una de estas propiedades es la dureza.

“Las pruebas de dureza son probablemente las más utilizadas dentro de las pruebas de aceptación y el control de proceso de materiales y productos metálicos. Son rápidas y baratas, y no destruyen el producto para probarlo”, señala Samuel R. Low, ingeniero de investigación de materiales del Grupo de desempeño mecánico (Mechanical Performance Group) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los EE. UU. (U.S. National Institute of Standards and Technology, NIST). Low también preside el Subcomité sobre Pruebas de dureza por indentación (E28.06), que forma parte del E28. “Prácticamente todos los metales destinados a los usuarios o que ingresan en una compañía se someten a una prueba de dureza”.

Las pruebas de dureza revelan mucho acerca de un material: fortaleza, resistencia al desgaste, ductilidad y mucho más. El Subcomité E28.06 supervisa varios estándares de dureza, incluidos dos métodos consagrados que se revisaron recientemente para incluir probadores portátiles: el Método de prueba de dureza Brinell de materiales metálicos (E10) y los Métodos de prueba de dureza Rockwell de materiales metálicos (E18).

Estándares de dureza

ASTM International, que tiene sus raíces en el metal para las vías de acero del ferrocarril, siempre ha tenido pruebas de dureza. El Subcomité E28.06 supervisa las pruebas de dureza Vickers y Knoop (E92), así como los estándares Brinell (E10) y Rockwell (E18), entre otros.

En la edición de Proceedings de ASTM del año 1924, el año de la publicación inicial del E10, ya se llamaba al dispositivo de prueba “la máquina del estándar Brinell”. La prueba había sido propuesta en 1900 por el científico sueco Johan A. Brinell, Ph.D., que trabajaba en la industria del hierro.

El estándar E10 actual —el método de prueba de la dureza Brinell de materiales metálicos— abarca una prueba de dos pasos que utiliza un penetrador (una bola) que penetra en la sección bajo prueba con una fuerza particular durante una cierta cantidad de tiempo. En el segundo paso se mide el diámetro de indentación resultante, que luego se utiliza para deducir el valor de dureza Brinell. La máquina sostiene la probeta y aplica la fuerza; sin embargo, las mediciones de diámetro se hacen a menudo mediante el uso de otro sistema de medición independiente.

Otro estándar importante, los Métodos de prueba de dureza Rockwell de materiales metálicos (E18), también se basa en una prueba de indentación.

En 1919, Hugh Rockwell y Stanley Rockwell patentaron el diseño del dispositivo de prueba que surgió de una idea de Paul Ludwik, quien había desarrollado por profundidad diferencial varios años antes. La aprobación del estándar E18 llegó en 1932.

La prueba de dureza Rockwell, señala Low, tiene una ventaja sobre la prueba de Brinell. Aunque la prueba pasa por dos aplicaciones de fuerza, el valor final de la dureza Rockwell está directamente determinado y visualizado por el dispositivo de prueba. El penetrador entra en la probeta, la fuerza que aplica se aumenta y luego esa fuerza adicional se quita, por lo que se vuelve a la fuerza inicial. El proceso ayuda a reducir los efectos de toda posible imperfección superficial. Las mediciones de profundidad de indentación se hacen en pasos específicos durante el proceso de prueba (en lugar de los diámetros como en la prueba Brinell).

Tanto el estándar E10 como el E18 requieren la verificación de la máquina de pruebas con métodos directos, indirectos y diarios:

• La verificación directa comprueba que los componentes críticos de la máquina estén dentro de las tolerancias admisibles.
• La verificación indirecta es un proceso que valida el desempeño de la máquina con penetradores y bloques de prueba estandarizados.
• La verificación diaria proporciona controles en los días de pruebas de dureza y cuando se cambian las fuerzas del penetrador.

Tanto E10 como E18 también proporcionan información acerca de las condiciones de prueba específicas, rangos de dureza recomendados e información estadística. Los detalles permiten al responsable de la prueba saber lo que necesita acerca de un metal y si sus propiedades hacen que sea adecuado para el fin previsto.

Cambios a lo largo del tiempo

A lo largo de los años, los estándares E10 y E18 se han perfeccionado, aunque los principios de prueba básicos siguen siendo los mismos. Más recientemente, se han incorporado dispositivos de prueba portátiles a los estándares E10 y E18.

“Es importante definir los requisitos, ya que puede tener un cliente que requiere pruebas Brinell y resulta que se hacen con un dispositivo de prueba portátil, mientras que el cliente pensaba que se hacían con un dispositivo de prueba de banco”, comenta Jim O’Donovan, gerente del laboratorio de calibración de Instron. Los últimos cambios en los estándares ayudan a clarificar cuál es la máquina de prueba utilizada.

Los dispositivos de prueba portátiles han sido —y continúan siendo— cubiertos por el Método de pruebas de dureza Rockwell y Brinell de materiales metálicos con dispositivos de prueba de dureza portátiles (E110). Lo que no siempre estuvo claro es si se realizan con una máquina de pruebas portátil o fija y cuál es el estándar que siguen las pruebas.

Las pruebas con una máquina fija no siempre son un enfoque práctico. Por ejemplo, un engranaje de aeronave o una placa de un tanque blindado pueden probarse con mayor facilidad mediante un dispositivo de prueba portátil. Y, según Low, el dispositivo de prueba portátil no siempre cumple con los requisitos de E10 y de E18.

Para aclarar cualquier posible confusión, apoyar la integridad de las pruebas y asegurar que las pruebas que se realizan son las solicitadas, se han agregado a E10 y a E18 los requisitos de las máquinas de prueba portátiles. “Ahora, cuando se usa un dispositivo de prueba portátil calificado, verificado y calibrado, seguramente cumple con los estándares E10 o E18”, comenta Low. Los resultados solo tienen que reflejar que se ha utilizado un dispositivo de prueba portátil.

A medida que los subcomités continúan revisando los estándares, podrán agregarse requisitos de calibración adicionales. “Los estándares del comité se examinan y se reevalúan constantemente”, señala Earl Ruth, ingeniero de proyectos especiales de Tinius Olsen Testing Machine Co., miembro de larga data de E28 y exmiembro de la Junta de ASTM International. “Al pasar de lo analógico a lo digital, hemos debido cambiar la calibración. Necesitábamos examinar y ajustar los estándares de forma acorde”.

Además, se ha agregado a los estándares E10 y a E18 otro importante requisito de calibración. Los grupos que realizan la verificación directa y/o indirecta de máquinas Brinell y Rockwell deben acreditarse según los requisitos de la norma ISO 17025, Requisitos generales de competencia para laboratorios de pruebas y de calibración (General requirements for the competence of testing and calibration laboratories). Además, el grupo de acreditación debe estar reconocido por la Cooperación Internacional de Acreditación de Laboratorios (International Laboratory Accreditation Cooperation).

“Los grupos tienen que cumplir los requisitos de verificación directa a fin de establecer la conformidad con los estándares E10 o E18”, agrega O’Donovan.

Un tercer cambio reciente e importante ha sido el reemplazo del material de la bola penetradora, de acero a carburo de tungsteno en algunas escalas. El acero, utilizado en un material que sea demasiado duro, podría dejar una marca plana en la bola que podría pasarse por alto. Y si bien el acero fue menos costoso inicialmente, debía reemplazarse con mayor frecuencia. El carburo de tungsteno es más resistente y, en consecuencia, proporciona datos más congruentes.

Trabajos en curso

Shawn Byrd es el gerente técnico de Tinius Olsen Testing Machine Co. y es miembro del E28 desde 2013. Se refiere a algunos temas generales de los estándares de prueba de metales del E28: tracción (estiramiento); compresión (resistencia al aplastamiento); impacto (tenacidad a la entalla del material), que pueden probarse a diferentes temperaturas (ambiente, elevada o criogénica), y diversas pruebas de dureza, todas plataformas importantes para obtener propiedades medidas en los metales.

El trabajo continúa para asegurar que los estándares, en definitiva, proporcionen materiales metálicos que funcionen de la forma prevista y que duren. O’Donovan comenta: “La gente que trabaja en este tema invierte una cantidad de tiempo considerable para asegurarse de que los estándares sean adecuados, que, a medida que cambian las cosas, se actualicen y que, cuando se plantean preguntas o dudas sobre algo que no está claro y que es necesario aclarar, los estándares evolucionen constantemente para proporcionar al usuario los mejores estándares posibles”.

Byrd agrega: “No podemos estar en cada laboratorio. Hacemos lo mejor que podemos para asegurarnos de ser bastante parecidos en la manera en que probamos los materiales. Lo que podemos hacer como promotores de ASTM es darles [a los usuarios] la mejor plataforma disponible para que tengan una buena pauta o referencia que seguir”.

E10 y E18, así como los demás estándares de E28, son parte de esa plataforma.