Ensayos estructurales con éxito en componentes de alta resistencia

Durante muchos años, las galgas extensométric (SG) han demostrado su utilidad en el análisis experimental de tensiones, principalmente en el análisis de fatiga de componentes críticos. Los efectos de las cargas reales o simuladas sobre los equipos o estructuras pueden evaluarse utilizando cadenas de medida basadas en galgas extensométricas, con excelentes resultados.

Los nuevos materiales de alta resistencia, como las fibras composite, suponen un reto para los sistemas de medición de galgas extensométricas, especialmente cuando los componentes se prueban hasta sus límites mecánicos. A veces ocurre que una galga extensométrica sometida a un alto nivel de carga durante un periodo prolongado, se debilita y falla antes que el componente objeto de la prueba.

Resistencia a las cargas alternadas

La resistencia a la fatiga de un componente mecánico viene dada por su resistencia a las cargas alternadas. Este comportamiento puede describirse —y representarse— mediante la curva S-N específica del material. En un ensayo S-N, la muestra del material se somete a cargas cíclicas, normalmente de tipo sinusoidal, con una amplitud constante. El ensayo continúa hasta que se produce un fallo del material (por ejemplo, hasta que se rompe). Si a continuación se repite el mismo ensayo con distintas amplitudes y se anota el número de ciclos hasta que se produce el fallo en cada caso, es posible representar los puntos en una gráfica, que es la curva S-N. El número de ciclos hasta el fallo del material se representa en forma logarítmica en el eje X, mientras que la amplitud asociada se representa en el eje Y, en forma de tensión mecánica o deformación.

El diagrama siguiente muestra curvas S-N para distintos materiales. Puede observarse claramente la alta resistencia a las cargas alternadas de las fibras composite.

 

Curva S-N de una galga extensométrica

Las propias galgas extensométricas están sujetas a fatiga y, por tanto, tienen su propia curva S-N. Su comportamiento se ve afectado por los materiales (especialmente el material de la rejilla), la disposición y la propia instalación. Las galgas extensométricas con rejillas de medición de aleaciones especiales de níquel-cromo poseen una mayor resistencia a las cargas alternadas que las galgas extensométricas típicas con rejillas de medición de constantán. 

En el diseño de las galgas extensométricas son preferibles las geometrías curvas a las angulares, ya que ofrecen una mayor resistencia a las cargas alternadas. Las superficies de soldadura con descarga de tracción evitan que las tensiones mecánicas del cable conectado se transfieran y puedan ocasionar una ruptura entre la superficie de soldadura y la rejilla de medición. Los diseñadores de galgas extensométricas han aprovechado la experiencia adquirida en ensayos de resistencia complejos para desarrollar bases adecuadas.

Sin embargo, la instalación en sí queda en manos del usuario. Es extremadamente importante aplicar capas muy delgadas de adhesivo y reducir la soldadura al mínimo, dentro de lo posible. De este modo, las uniones soldadas poseen una flexibilidad máxima y se evita la necesidad de definir puntos de rotura predeterminados. No obstante, en las pruebas para determinar la curva S-N, no se espera hasta que la galga extensométrica falla por completo, sino que se define un criterio de finalización. El criterio de finalización que se suele utilizar es una deriva del cero superior a 100 µm/m. El valor típico de la resistencia de una galga extensométrica con una rejilla de medición de constantán es de 107 ciclos de carga alternada a ±1.400 µm/m. Esto es más que suficiente para los materiales metálicos, pero no para las fibras composite de alta resistencia. Solo hay que fijarse en el gráfico 1.

Como aumentar la resistencia de las galgas extensométricas a las cargas alternadas

Las galgas extensométricas de la serie M cumplen los criterios necesarios. La rejilla de medición de la serie M está fabricada en una aleación de níquel-cromo. Su diseño ofrece una resistencia óptima a las cargas alternadas. Las superficies de soldadura con descarga de tracción son el resultado de numerosos ensayos que han aportado mejoras sistemáticas. Pueden utilizarse en pruebas con materiales de alta resistencia. La Figura 2 compara directamente entre la nueva serie M y una galga extensométrica universal1 (por ejemplo, la serie Y de HBM). 

Resistencia extrema a las cargas alternadas con tecnología de medición óptica

Si se necesita aún más resistencia a las cargas alternadas, llega un punto en el que las galgas extensométricas metálicas dejan de ser una opción viable. La alternativa obvia es la tecnología de medición óptica basada en tecnología de red de Bragg en fibra óptica (FBG).

Esta tecnología consiste en insertar una red de Bragg en una fibra óptica. La red refleja una longitud de onda específica en el espectro óptico. Entre otras características, esta longitud de onda es proporcional a la deformación. Esto permite fabricar galgas extensométricas ópticas.

La fibra óptica posee propiedades mecánicas isotrópicas y, básicamente, no es sensible a la fatiga típica de los materiales metálicos. La fibra óptica puede someterse a cargas dinámicas y posee una resistencia límite de 30.000 µm/m, aproximadamente. En los ensayos de fatiga, las pruebas a ±5.000 µm/m ya han alcanzado hasta 107 ciclos de carga sin que se produzca fallo2.

La fibra óptica puede incrustarse en el material y, además de en las aplicaciones extremas, cíclicas y de alta deformación de las que hemos hablado, también pueden utilizarse en situaciones en las que, en principio, no es posible emplear galgas extensométricas eléctricas; por ejemplo, en presencia de campos electromagnéticos intensos (transformadores, interruptores de alta tensión, etc.). En el análisis de fatiga, los materiales modernos, como las fibras composite, plantean un alto nivel de exigencia a la tecnología de medición, en términos de resistencia a las cargas alternadas. HBM ha adoptado medidas para aumentar la resistencia de las galgas extensométricas a este tipo de cargas (por ejemplo, las de la serie M), de modo que puedan utilizarse en la mayoría de mediciones. La tecnología de medición óptica es también una herramienta adecuada para las cargas alternadas extremas.

1Rejilla de medición de constantán con lámina de soporte de poliimida

2Medición realizada con la galga extensométrica óptica "K-OL" de HBM

Acerca del autor

Jens Boersch es director de producto en HBM desde hace 14 años. Ha trabajado con la práctica totalidad de productos (galgas extensométricas, sistemas amplificadores y software de adquisición de datos) del catálogo de pruebas y medición de HBM. Trabaja en Darmstadt, Alemania.

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