Los ensayos que se realizan en los materiales aeronáuticos juegan un papel esencial en el proceso de certificación de las aeronaves, por tanto en la aeronave­gabilídad de las mismas.

Aunque es un tema propio de fabricación es conveniente, y así lo manifiesta el pro­grama del Curso, que el Técnico de Mantenimiento posea una idea general de los métodos de ensayo al uso.

En principio hay que señalar que es numeroso el grupo de ensayos que hace la industria.

Unos miden las propiedades de los materiales (son ensayos mecánicos, térmicos, eléctricos, magnéticos y ópticos), y otros más especializados determinan sus características quí­micas y microestructurales (son procesos de análisis químico, de microestructura y de características super­ficiales).

En el programa del Curso estamos interesados en los ensayos mecánicos por su relevancia práctica desde la perspectiva de mantenimiento estructural.

La definición de ensayo mecánico es la siguien­te: métodos y resultados que se obtienen por acciones que se ejercen sobre un material, normalmente una de prueba estándar llamada probeta.

En ocasiones, la «probeta» es el avión completo, o coftiuntos estructurales principales, como sucede en los ensayos de fatiga.

Como resultado de la acción ejercida la condición original (características) del material o de la pieza se ve afectada, de tal modo que queda inútil para el servi­cio o proceso posterior de trabajo.

No obstante ha pro­porcionado una tabla de resultados fundamentales desde el punto de vista estructural.
Los elementos y conjuntos estructurales de res­ ponsabilidad primaria se someten a un conjunto de ins­ pecciones especiales que se etiquetan con el nombre de «no destructivas».

Se realizan tanto en fase de fabricación del avión como en servicio de mantenimiento, una vez entregada la aeronave a la compañía.

En general, el coste económico de los ensayos mecá­nicos, por sí mismos, es mayor que la cuantía total de la inspección no destructiva.

 

Antiguamente cada fabricante realizaba todos los ensayos de materiales necesarios en el proceso de fabricación de la aeronave.

Hoy día hay organismos aprobados que realizan parte de estos ensayos, de tal manera que los distintos fabricantes reciben los resul­tados y los dan por buenos, sin necesidad de repetición.

El caso típico es la recepción de material en bruto, en forma de chapa, chapones, tubos, etc.

El emisor del material, este caso, garantiza que se han realizado las distintas pruebas y que son conformes.

No obstante, el fabricante de la aeronave realiza ensa­yos, de forma aleatoria, para comprobar que los datos del documento expedido por el suministrador son correctos y aceptables según sus pruebas.

 

TIPOS DE ENSAYOS MECÁNICOS

Los ingenieros que proyectan la estructura de los aviones deben conocer cuáles son las características de resistencia mecánica del material que aplican.

Esto les permite seleccionar el material de construcción de acuerdo con sus resultados de cálculo, esto es, de los esfuerzos que el material debe ser capaz de soportar.

Los ensayos mecánicos más importantes son:

• Ensayo de tracción.
• Ensayo de flexión.
• Ensayo de impacto.
• Ensayo de dureza.
• Ensayo de fatiga.

 

 

Ensayo de tracción

 

Determina las características mecánicas del material sometido a fuerzas de tracción.

Para este ensayo se prepara una probeta de acuerdo con normas que definen la geometría de la pieza.

Hay numerosas normas publicadas, que indican la forma que debe tener la probeta y el modo de realizar el ensayo, por ejemplo, ASTM Standards E 8 y E 8M, tituladas Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.

Las características mecánicas se determinan con apa­rato especial de laboratorio.

En el curso del ensayo se sujeta la probeta por un extremo con una mordaza, que está unida al puente fijo de la máquina de tracción.

El puente lleva a la vez el instrumento (celda) de medida de la carga, que indicará la fuerza ejercida en el ensayo.

El otro extremo de la probeta también está unido a una mordaza, pero esta tiene la particularidad de que se puede desplazar en un husillo con la ayuda de un motor hidráulico o eléctrico.

Lentamente, la probeta se somete a fuerzas incrementales de tensión de manera que es posible relacionar la carga aplicada con el alargamiento que experimenta la probeta.

La carga se considera estática debido a la lentitud de apli­cación de la misma.

El alargamiento de la probeta se mide con un extensímetro, que determi­na la deformación de la pieza sometida a tracción.

Normalmente el ensayo prosigue hasta la rotura de la probeta.

Con los datos obtenidos es posible construir la curva de alargamiento en función del esfuerzo aplica­do.

El ensayo de tracción permite determinar las siguien­tes características del material:

• Límite elástico.
• Resistencia máxima a tracción.
• Módulo de Elasticidad.
• Ductilidad del material (cuánto se alarga y cuánto se contrae cuando se somete a carga).

Ensayo de compresión

Es similar al anterior, pero ahora la probeta se somete a aplastamiento.

Por lo general los materiales metálicos tienen las mismas características mecánicas a tracción que a compresión, de tal forma que en
muchas ocasiones este ensayo no aporta nada nuevo.

Si el material es frágil el ensayo puede sustituir al de ten­sión.

En todo caso, el ensayo de compresión es impor­tante para materiales compuestos puesto que su respuesta a fuerzas de compresión son distintas que atrac­ción.

Es también importante para determinar qué for­mas geométricas de deformación adopta una pieza sometida progresivamente a compresión.

Ensayo de flexión

Es un ensayo que se realiza sobre materiales frá­giles  dada la dificultad que existe en ellos para someterlos a ensayo de tracción sin que se produzca la rotura.

Además es muy difícil en estos materiales construir una probeta en forma de «hueso de perro» por la facilidad de introducir grietas en la misma.

Por estas razones los materiales frágiles se ensayan a flexión.

La pro­beta se apoya en dos puntos (tres a veces) y se carga en el centro.

Entonces la parte inferior de la probeta se somete a esfuerzos de tracción y la superior a compre­sión.

De hecho son las mismas cargas que se estudian en el caso de flexión del ala, producida por la fuerza de sustentación en vuelo.

La fractura en el material frágil se produce en la parte inferior, sometida a esfuerzos de tracción.

¿Por qué ocurre esto? La compresión que se ejerce en la parte superior de la probeta tiende al agrupamiento y reducción de las posibles líneas de defectos del mate­rial.

Por esta razón los materiales frágiles, como los ladrillos, se emplean preferentemente en aplicaciones donde existen únicamente fuerzas de compresión.

 

 

rior del ala haciendo un agujero en la chapa de revestimiento o en las capas de material com­puesto.
Igual razonamiento cabe aplicar en los motores de turbina, en lo que Polímeros, vidrio, etc.

Ensayo de impacto

 

La resistencia al impacto de un material es la capacidad que tiene para soportar una carga determi­nada que se aplica repentinamente.

Por ello hablamos de materiales que son tenaces y otros no lo son, o que tienen tenacidad  moderada.

Durante estos ensayos se mide la energía necesaria para deformar, fracturar o traspasar una probeta de ensayo.

La resistencia al impacto es propiedad muy impor­tante en el campo aeronáutico debido a las altas velocidades de vuelo del avión y el riesgo, siempre presente, del impacto con aves o piedras de granizo.

De hecho es normal proyectar los bordes de ataque de las alas de los aviones  de tal manera que la chapa (o lámina de compuesto) sea capaz de soportar el impacto de un ave de cuatro libras de peso (1,8 kg) a la velocidad máxima del avión.

En el curso del ensayo el modelo de ave no debe penetrar en el interior del ala haciendo un agujero en la chapa del revestimiento o en las capas de material compuesto.

Igual razonamiento cabe aplicar en los motores de turbina, en lo que se refiere a los álabes frontales del compresor;

De hecho se ven afectados con frecuencia por este tipo de impacto.

 

Hay dos ensayos princi­pales.

El ensayo de Charpy mide la tenaci­dad de un material tomando como referen­cia el trabajo hecho una masa pendular (mar­tillo) cuando golpea y rompe una probeta.

La fractura por impacto se produce en una muesca hecha en la probeta.

La energía perdida por la masa pendular (h¡-h¡) es una medida de la resistencia al impacto que ofrece el material.

El ensayo de Charpy es muy utilizado por la industria porque es fácil de pre­parar y realizar.

Tiene la desventaja de que sus resulta­dos son comparativos, de ahí que todas las máquinas de ensayo estén certificadas bajo el mismo estándar (ISO 148-1:2008).

Otro ensayo de impacto es el de Izod, similar al de charpy  pero con probetas más adaptadas para ensayos con materiales plásticos.

 

Ensayos de dureza

 

Los ensayos de dureza miden de forma indirecta las características de resistencia mecánica de un material.

De hecho existen tablas que relacionan las dos mag­nitudes.

Quiere decirse que obtenida la dureza es posi­ble conocer de manera aproximada la resistencia a tracción del material.

Antes de que se pusieran a punto las máquinas de ensayo de dureza se determinaba esta de forma aproxi­mada por medio de una lima, observando la huella que dejaba tras el ataque.

Hoy día se emplean tres tipos de ensayos principales: Brinell, Vickers y Rockwell.

Ensayo de Brinell

La superficie del material se mella aplicando una fuerza determinada por una esfera de acero templado (cuyo diámetro D es por lo general de 10 mm).

Realizado el experimento se mide el área de la hue­lla producida, de diámetro d, con la ayuda de un microscopio.

Físicamente la dureza Brinell (HB) es la relación entre la carga aplicada y el área superficial de contac­to de la huella dejada:

donde K es una constante, expresando F en Newtons y Den mm.

La letra W indica que se usa bola de carburo de tungs­teno.

Originalmente se usaban bolas de acero pero se observó que tendían a deformarse (aplastamiento) para valores de dureza Brinell superiores a 450.

Identificación

La dureza Brinell se identifica con el símbolo HBW, seguido por un conjunto de números que identifican el diámetro de la bola, la fuerza aplicada y el tiempo de duración de la aplicación de la fuerza.

Así, el código 400HBW 10/1500/20 indica un ensa­yo con resultado de dureza Brinell 400, hecho con bola de 1O mm de diámetro, fuerza aplicada de 1.500 kgf, y tiempo de aplicación de 20 s.

Los materiales más duros tienen un mayor número de dureza Brinell.

La dureza Brinell de los metales oscila entre 30 y 750.

El ensayo Brinell es simple y relativamente econó­mico, fiable incluso en talleres con condiciones rudas de trabajo si la fuerza de proyección de la esfera es alta.

Como desventaja hay que señalar su dificultad para aplicarlo en piezas delgadas y el tiempo que se tarda en realizar las medidas.

En producción en serie se han señalado también errores en mediciones por can­sancio del operador que realiza ensayos continuos.

Ensayo de Vickers

En este ensayo se emplea un diamante en forma de pirámide cuadrada con ángulo de 136°.

Tiene la pro­piedad de que la huella  producida es geométricamente similar (escala) bajo diferentes con­diciones de carga (varía esta entre 5 y 120 kilogramos).

El penetrador  produce una huella cuadra­da, de la cual se mide la diagonal y se relaciona su longitud con valores de dureza Vickers (HV):

El ángulo de la pirámide cuadrada (136°) está rela­cionado con la forma ideal de huella del ensayo de Bri­nell.

Por esta razón los números de dureza Brinell y Vic­kers coinciden hasta valores muy altos de carga del penetrador, de hecho son iguales hasta unidades de dureza correspondientes a 300 kgf/mm2.

El ángulo de impresión en la huella del ensayo de Vickers es constante de manera que cualquier cambio de la carga del penetrador viene acompañado de un cambio proporcional de longitud de la huella.

Esto sig­nifica que el número de dureza Vickers será siempre el mismo para un material determinado, sin considera­ ción de la carga aplicada.

Otra ventaja del ensayo Vickers radica en la medida de la huella.

Es más fácil medir (entre puntos) la dia­gonal de una huella cuadrada (o ligeramente rectangu­lar) que la de un círculo.

También es posible relacionar el número de dureza HV con el esfuerzo aplicado al material.

Como desventajas deben citarse el tiempo de prepa­ración de la prueba, la sensibilidad que siempre existe al daño en las puntas de diamante y, también, sensibi­lidad a efectos de vibración de la pieza.

Identiflcación

La dureza en números Vickers se identifica dando el número de dureza, HV como símbolo del método, y a continuación la carga usada en kilogramos fuerza y el tiempo de aplicación de la carga, si este no está com­prendido entre 1O y 15 segundos.
Ejemplo: 180HV30/20.

 

Ensayo de Rockwell

 

Se usa como penetrador una esfera de acero o un cono de diamante, según el material a comprobar.

El cono recibe el nombre de «brale».

La esfera se usa para materiales blandos y el cono para materiales más duros.

El penetrador cónico es un diamante con ángulo en el vértice de 120°.

Este vértice tiene una mínima forma casquete esférico de 0,20 mm.

El penetrador esférico es de acero templado y pulido de 1,5875 mm de diámetro.

En el curso del ensayo Rockwell se aplica sobre el material una carga inicial o preliminar y una carga adi­cional.

La carga inicial es de 1O kgf, la misma para todos los casos.

La carga adicional varía y puede ser 50, 90 o 140 kgf, de acuerdo con la escala Rockwell que se va a utilizar.

Dichas escalas se han establecido por combinaciones de carga y penetrador.

Se representan por una letra mayúscula, véase tabla adjunta.

Cada escala, además, tiene un campo de materiales de utilización; por ejem­plo, la escala E se usa para comprobaciones de dureza de aleaciones de aluminio, entre otros.

Se observa que el penetrador cónico se emplea en los ensayos de dure­za con las escalas C, A y D y los resultados se leen en la escala o dial negro de la pantalla o indicador que tiene la máquina de ensayo.

El penetrador esférico por su parte se emplea con las escalas B, D, F, H y K y los resultados se leen en la escala roja del indicador.

En operación el penetrador aplica una carga preliminar en la pieza de ensayo, carga que se mantiene por un cierto tiempo.

Se mide la profundidad de la huella.

Esta profundidad es la línea de referencia cero del ensayo en concreto.

La carga ini­cial garantiza fidelidad del ensayo pues, al penetrar un poco en el material, elimina cualquier efecto irregular en la capa más externa del material.

Se aplica entonces carga adicional hasta llegar al valor de carga de penetración total, que también se mantiene durante un tiempo especificado.

Se mide la profundidad de la huella.

Esta medida abarca desde el fondo de la huella dejada en el material hasta la línea de referencia que estableció la carga inicial.

Cuando se quita la carga total y se vuelve al valor inicial hay una cierta recuperación elástica del material, es decir, la profundidad de la huella ha disminuido.

Se mide la profundidad de la huella, que se expresa en valores de dureza Rockwell, en forma de número adimensional.

Identificación

El principio de funcionamiento de este ensayo es que profundidad de la huella es convertida por la máquina valores de dureza Rockwell.

Así, 70HRC  indica que la lectura obtenida en pantalla (número adimensio­nal) es de 70, HR es la sigla de referencia a dureza Rockwell, y C que la lectura de 70 unidades se ha hecho en la Escala C.

En la actualidad indicadores digitales, de gran precisión, que además de dar el resultado de dureza Rockwell hacen equivalencia con el valor de dureza Brinell.

La ventaja principal del ensayo Rockwell es la rela­tiva rapidez de la prueba porque el resultado se mues­tra automáticamente después del proceso de medida de la huella.
EL proceso puede ser automatizado.

No necesita dis­positivo de medición óptico y la influencia del opera­dor en el ensayo es nula porque el valor de dureza se muestra directamente.

Como desventajas hay que señalar, entre otras, la posibilidad de errores de medida debido al movimiento de la pieza durante la aplicación de las fuer­zas preliminar y/o total, también posi­bles daños en el penetrador de dia­mante (riesgos de medidas incorrec­tas) y la necesidad en este caso de comprobarlo en un diamante patrón dada la anisotropía del diamante.

En aeronáutica no se acepta para especificación de materiales.

 

Ensayos de fatiga

Los ensayos de fatiga se efectúan sometiendo una pieza, o conjuntos completos de un prototipo de aeronave a esfuerzos alternativos, repetidos, hasta que se produce el fallo estructural.

Es un ensayo muy especializado, pero es uno de los más importantes en el sector aeronáutico.

Todo modelo nuevo de aeronave, antes de obtener su Certificado de Tipo, debe realizar en su avión (o aviones) prototipo un conjunto de prue­bas de fatiga donde se valora la respuesta de la estruc­tura a los esfuerzos cíclicos que ocurren durante la vida de servicio prevista.

En principio parece que un ensayo de fatiga se alar­ga en el tiempo, pero para recrear estas condiciones en un tiempo de ensayo razonable se colocan los distintos conjuntos completos de la aeronave (fuselaje, cola, etc.) en gradas.

Allí, una serie de gatos hidráulicos introducen en la célula la combinación de cargas que se corresponden con las condiciones de servicio de la aeronave, en tierra y en vuelo.

Una aeronave puede probarse para fatiga en comple­to, pero también puede dividirse en cuatro secciones:

fuselaje anterior, central, posterior y el cuarto grupo es el estabilizador de cola.

Por lo común proceder con esta división es más económico y, además, permite continuar con los ensayos restantes si una de las partes falla.

No obstante, los fabricantes tienen sus preferencías.

El ensayo de fatiga del avión tiene los siguientes objetivos:

a. En primer lugar, ya citado, justifica el comporta­miento estructural a lo largo de la vida de servicio.

b. Establece el programa de mantenimiento estructu­ral del avión, que luego se recoge en el Manual de reparaciones estructurales (SRM).
c. Identifica los puntos débiles de la estructura, bien en el sentido necesario de refuerzo o modificación de diseño.

El ensayo de fatiga,  se suele dividir en dos fases.

En una primera fase (digamos, la mitad de los ciclos de prueba) se observa el comportamiento natural del avión a los esfuerzos cíclicos, pero en la segunda parte se pueden introducir grietas en la estructura de forma artificial (si es que no se han producido en la fase pri­mera).

El fin de esta segunda parte del ensayo es obser­var el comportamiento estructural en cuanto a toleran­cia al daño de la estructura de la aeronave.

 

 

Ensayo de fatiga por flexión rotatoria

 

En muchas aplicaciones de la práctica industrial el ensayo de fatiga se realiza por el método de flexión rotatoria.

La pieza de prueba se somete a rotación a un determinado número de revoluciones, a la vez que se aplica una fuerza perpendicular al eje de giro.

La fle­xión que produce la carga en la pieza, unida a la rota­ción es una carga cíclica que produce esfuerzos de tracción y de compresión de forma alternativa.

Este ensayo se conoce como prueba de Wohler.

Durómetro Shore

 

Para elastómeros y materiales plásticos se suele emplear la prueba con durómetro de Shore.

Se basa en medir la profundidad de penetración de un cuerpo den­tro del material y relacionarla en grados de dureza.

El penetrador se somete a una carga determinada por medio de un resorte de características elásticas prede­finidas.

Según la forma del penetrador y las caracterís­ticas de los resortes se establecen una serie de escalas diferentes.

Las usuales son Shore A y D, aunque exis­ten otras para aplicaciones específicas.

Para plásticos blandos y elastómeros se usa la variante A, con un penetrador truncado.

Para material termoplástico se emplea la variante D.

El penetrador clase A termina en un cono de 35°, truncado.

La base truncada es de O,79 mm.

El penetra­dor clase D termina en un cono de 30°, con un ligero redondeo al final de tan solo O,1 mm de radio.

Para el penetrador truncado el grado de dureza Hs Shore A viene determinado por la siguiente relación:

F= 550 + 75 Hs

Donde F es la fuerza aplicada expresada en mN.

Para la escala Shore D la fórmula es:

F= 445 Hs

En todos los ensayos el espesor mínimo de material debe ser 6 mm.

No se deben hacer pruebas a menos de 12 mm de cualquier borde.

Un factor importante del ensayo es el tiempo de apli­cación de la carga antes de tomar la lectura.

La razón es que la dureza del material en ensayo disminuye con el tiempo de la aplicación.

En la industria no hay acuerdo general sobre el tiem­po de aplicación.

El Estándar ISO establece 15 s, aun­que para obtener una simple estimación de dureza puede ser suficiente 1 segundo.

Precisamente, el Están­ dar ASTM establece ese tiempo, 1 segundo, pero habrá que estar a lo indicado en el Manual aplicable.

En todo caso, el mismo tiempo de aplicación (1 s) es el normal para pruebas en elastómeros, pero repetimos, no hay acuerdo general.

 

Escleroscopio Shore

 

Es un medidor de dureza que se basa en la reacción elástica que experimenta una probeta cuando se deja caer una masa sobre ella.

La expresión escleroscopio procede del griego, con significado de dureza («escleros») y ver («escopco»).

En el curso del ensayo un percutor cilíndrico de acero duro y con punta de diamante redondeada, de 3 a 7 gramos de masa, se deja caer por el interior de un tubo de cristal de 300 mm de largo, y graduado arbi­trariamente en 140 unidades.

El percutor, situado a una altura de 254 mm, se deja caer y rebota en el material de ensayo.

El rebote alcanza una primera altura, que es la medida de dureza del material.

La altura del rebote depende de la pequeña deforma­ción producida en el material.

Cuanto más blando es el material más energía absor­be en el choque y menor es por tanto la altura del rebo­te.

Para materiales más duros ocurre lo contrario, el rebote alcanza mayor altura.

En estos materiales hay sucesivos rebotes mensurables, pero no sirven para lec­tura del ensayo, primero porque la altura de caída de la masa es menor y, además, ya se ha producido un cierto endurecimiento del material, en la zona de contacto del percutor, que de alguna forma afecta a la altura del rebote.

Un acero templado para herramienta presenta en este ensayo una dureza de 100 unidades.