Un eje debe tener una dureza entre 28 y 32 Rockwell C... ¿pero por qué?

Una de las primeras cosas que me enseñaron como ingeniero involucrado en la especificación de materiales para partes de turbinas de vapor y compresores fue que la dureza del material para los ejes debía estar entre 28 y 32 en la escala Rockwell C.

Hoy me propongo contestar esta y mas preguntas.

¿Qué es la dureza?

¿Qué significan esos números?

¿Por qué ese es el rango correcto?

¿Dónde está escrito?

¿Qué es la dureza?

Una definición simple: La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica local, generalmente causada por presión.

Desglosemos eso:

• Resistencia a la deformación plástica local

• Generalmente causada por presión

  
  

Los ingenieros usamos el término deformación plástica para describir una condición donde el material se deforma bajo una fuerza y permanece deformado después de que esa fuerza se retira.

No tiene que romperse ni fracturarse. Simplemente se deforma.

Imaginemos plastilina. Hagamos un bloque plano y metamos el dedo, presionando hacia abajo.

¡Queda una huella con la forma de nuestro dedo!

Aparato humano para pruebas de dureza, escala Romero.

Cuando retiramos la fuerza (y el dedo), el material se queda deformado.

Esto es lo opuesto a la deformación elástica. Ahora imaginemos que jalamos una liga.

Aplicamos fuerza, la liga se estira, se alarga.

Cuando la soltamos, regresa a su tamaño original.

Entonces, en ciencia de materiales, la dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente por indentación.

¿Qué nos dice la dureza de un material?

Cuando trabajamos con metales como el acero, la dureza no es solo un número. Es como mirar por una ventana hacia el pasado que revela cómo fue fabricado y procesado ese material.

Nos cuenta toda una historia. Nos dice cómo fue tratado el material y qué podemos esperar cuando entra en servicio.

Y en cuanto a las aleaciones de acero que se usan para fabricar turbinas y compresores, resulta que la dureza y la resistencia a la tensión están estrechamente correlacionadas.

Tabla de conversión de dureza del API 687

¡Si conocemos una, podemos estimar la otra con bastante precisión!

Y eso es enormemente valioso.

Es como ir al supermercado a buscar el aguacate perfecto. No nos permiten partirlos a la mitad en la tienda para saber qué tan maduros están.

Los amantes del aguacate en todo el mundo lo sabemos, y hemos desarrollado un método de sostenerlos con cuidado y apretarlos suavemente para medir qué tan perfectos están por dentro.

Cuando llegamos a casa y estamos listos para comer, lo partimos y ¡a disfrutar!

Conozco alguien que come palta o aguacate con todo.

Esa misma necesidad de conocer un material sin cortarlo existe en un taller de reparación de turbomaquinaria.

No podemos cortar cada parte de una turbina de vapor o un compresor para hacerle una prueba de tensión destructiva. Así que nos apoyamos en medir la dureza. Es rápido. Es no-destructivo.

Conocer la resistencia a la tensión de un material es fundamental. Las turbomáquinas son equipos sometidos a altas cargas mecánica con rotores que giran rápido y por ende, deben resistir muchas fuerzas y esfuerzos. Conocer la resistencia del material es esencial para tomar decisiones sobre como reparar o reemplazar partes.

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Pero la dureza no solo nos dice qué tan resistente es un material. También nos revela cómo llegó a serlo. Nos dice cómo fue tratado térmicamente durante el proceso de fabricación.

Todos hemos visto esa escena en películas de ejércitos medievales preparándose para la batalla, donde la cámara corta a un herrero golpeando una espada que brilla de color amarillo y rojo por el calor.

Y cuando termina de golpear, el herrero sumerge la espada en un barril de agua, hace un sonido refrescante, y sale una nube de vapor.

¡Sí! Todos hemos visto esa película.

Todos esos pasos son pasos reales que se siguen al fabricar un eje de compresor, por ejemplo.

Forjamos el eje. Calentamos el material para hacerlo maleable, deformarlo y mejorar su resistencia. Luego podemos enfriarlo rápidamente "templarlo" para fijar las propiedades mecánicas deseadas.

El uso del calor en la fabricación y procesamiento de un metal se llama tratamiento térmico. Y el tratamiento térmico del acero se hace para afectar su estructura interna.

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Las aleaciones de acero tienen estructuras cristalinas. Imaginémoslas como estructuras hechas de Legos. Si fabricamos una espada con Legos pequeños de 1x2, puede que terminemos con una espada frágil que se rompe apenas la levantamos.

Pero si la hacemos con Legos más largos de 1x4 o 1x6, con muchas conexiones superpuestas, terminamos con una espada bastante resistente.

La estructura cristalina de un metal funciona exactamente así: es la configuración del "tamaño de grano" y cómo se apilan o conectan.

Entonces, cuando tomamos una pieza o componente de turbina o compresor sin planos ni documentación técnica y medimos su dureza, no solo estamos obteniendo un número.

Estamos leyendo la estructura de grano. Estamos leyendo el tratamiento térmico. Estamos leyendo las decisiones que tomaron los ingenieros de diseño originales cuando diseñaron esa pieza. La dureza es algo muy poderoso.

¿Por qué importa esto?

En un taller de reparación de turbomaquinaria, es muy probable que tengamos que reparar partes, fabricar repuestos, o incluso duplicar una pieza existente.

Cuando vamos a copiar o duplicar una pieza necesitamos saber:

• ¿Cuál es la forma geométrica?

• ¿Cuál es la composición del material?

• ¿Cuáles son las propiedades del material?

  
  

Respondemos todas estas preguntas a través de un proceso llamado ingeniería inversa, el término elegante que usamos los ingenieros para describir cómo copiamos cosas.

Determinamos la forma de un objeto midiéndolo físicamente. Usamos muchas herramientas, y otro día hablaremos de eso en un post aparte.

Conocemos la composición del material realizando una Identificación Positiva del Material (PMI). Esto significa que identificamos qué elementos están presentes en una aleación y en qué proporciones.

También usamos herramientas sofisticadas para esto, que nos indican en términos de porcentaje cuánto hierro, níquel, cromo y otros elementos contiene una muestra.

Entonces, hasta aquí sabemos cómo luce la pieza y de qué está hecha. Pero aún no sabemos qué tan resistente es.

¿Cómo lo averiguamos, especialmente si no podemos destruir la muestra?

Por las razones que ya vimos, conocer la dureza revelará las propiedades de resistencia y describirá a los ingenieros y metalurgistas qué tratamientos térmicos fueron aplicados.

Ahora... imaginemos que me contratan para copiar un disco de compresor en una turbina de gas.

Probablemente lo midamos y hagamos un modelo 3D que luego podamos usar para hacer planos, instrucciones de mecanizado, o incluso correr simulaciones si necesitamos verificar y calificar el diseño de la pieza.

Solicitaremos una prueba de composición química. Esta prueba verificará los elementos en el disco de muestra e indicará que la composición corresponde mejor a un material llamado AISI 4340.

AISI significa Instituto Americano del Hierro y el Acero. Es una organización que desarrolló un sistema de nomenclatura para identificar aceros. El AISI solo le da nombre a las aleaciones.

Las designaciones AISI como 4340, 4140, 1045, 410, 422, y demás, son solo designaciones de composición química. El AISI solo lista los ingredientes que van en una aleación. No escribe la receta de cómo "cocinarla".

La receta que determina qué tan resistente es una aleación, o qué microestructura o tratamiento térmico tiene, se llama especificación de material o especificación de compra.

Y el AISI no escribe especificaciones de material. Eso lo hacen otros organismos, como la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM), la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), o las Especificaciones de Materiales Aeroespaciales (AMS).

La especificación AMS que más usamos cuando compramos y tratamos el AISI 4340 es la AMS 6414 o AMS 6415. Básicamente describe cómo debe fundirse el metal, qué tipo de hornos se usan, cómo se calienta, se enfría, etcétera.

La AMS 6415 es la especificación estándar. La AMS 6414 es la versión premium, producida mediante un proceso llamado Refusión por Arco al Vacío o VAR. El proceso VAR produce un acero más limpio y homogéneo, con menos defectos internos. Para un componente rotativo de alta gama como un disco de compresor, esa diferencia importa.

Entonces, ¿qué significa 28-32 HRC?

Antes de responder eso, conozcamos a las personas que inventaron las escalas de dureza en primer lugar.

A lo largo de la historia, los ingenieros han inventado diferentes herramientas y métodos para medir cosas. Pensemos en otras escalas como Celsius y Fahrenheit, milímetros y pulgadas.

En la práctica, en turbomaquinaria, los métodos más relevantes para medir la dureza de metales fueron inventados más o menos en la misma época por personas muy inteligentes y probablemente agradables.

Quienes han leído mis posts anteriores saben que soy un fanático empedernido de Pokémon. Y cuando se presenta la oportunidad, me encanta imaginar a las figuras históricas de la ingeniería como si tuvieran sus propias tarjetas de Pokémon.

Así que aquí están:

Por fin llegamos a los números.

Hemos recorrido mucho camino para llegar aquí. Dureza. Deformación plástica. Tratamiento térmico. Estructura de grano. AISI, ASTM, AMS. Brinell, Rockwell, Vickers.

¡Nos hemos ganado esta respuesta!

Veamos qué significan esos números en el mundo real.

Mirando la tabla de conversión de durezas del API 687, 28 HRC corresponde aproximadamente a 269 Brinell, lo que se traduce en una resistencia a la tensión de aproximadamente 133,000 psi. Y 32 HRC está en aproximadamente 302 Brinell, lo que se traduce en aproximadamente 150,000 psi.

Entonces, 28 a 32 HRC realmente nos está diciendo: este eje debe tener una resistencia a la tensión de entre aproximadamente 130,000 y 150,000 psi.

Ese no es un rango arbitrario. Es una decisión de ingeniería.

¿Por qué no más blando?

Por debajo de 28 HRC, estamos mirando una resistencia a la tensión menor de 130,000 psi.

El eje comienza a perder la resistencia necesaria para soportar los esfuerzos del servicio en equipos rotativos. Las superficies de los muñones se desgastan más rápido. Las áreas de sellos y ajustes se dañan por arrastre (galling). Las interfaces de ajuste a presión pueden ceder bajo el esfuerzo de interferencia y aflojarse con el tiempo.

El eje no es suficientemente fuerte para hacer su trabajo de manera confiable a largo plazo.

¿Por qué no más duro?

Por encima de 32 HRC, el eje es más resistente pero más frágil.

Cada chavetero, cada cambio de diámetro, cada ralladura en el acabado superficial se convierte en un posible punto de iniciación de una grieta por fatiga. Los ejes de turbomaquinaria experimentan millones de ciclos de esfuerzo a lo largo de su vida útil. Un eje ligeramente más duro, menos tolerante a las concentraciones de esfuerzo, es un eje que puede fallar por fatiga antes de que uno más blando se desgaste.

El rango de 28 a 32 es el punto óptimo.

Suficientemente resistente para manejar los esfuerzos mecánicos. Suficientemente tenaz para tolerar las cargas dinámicas y las imperfecciones inevitables del mecanizado y el servicio real. Algo así como el amor de una dulce abuelita ecuatoriana.

 

¿Y dónde está todo esto escrito?

La verdad es que, antes de que lo escribiera aquí, no estaba escrito en ningún lugar en conjunto.

Ningún documento de API lo tiene. Ningún libro de diseño de turbomaquinaria en la academia lo tiene.

No existe en un solo documento como ley universal. Vive en la práctica de ingeniería acumulada de la industria, como un mensaje secreto codificado en las especificaciones de diseño de los fabricantes originales, en normas de materiales como AMS 6414, ASTM A470, y en las tablas de conversión de dureza del API 687 que conectan directamente el número con la resistencia a la tensión que nuestra parte necesita tener.

Cuando mi mentor me dijo "Ese eje debe tener una dureza de 28 a 32 HRC" en mi segundo día de trabajo en Septiembre de 2002, no estaba recitando un párrafo de una norma. Me estaba transmitiendo décadas de juicio de ingeniería, experiencia de campo y análisis de fallas comprimidos en cuatro números.

Gracias, Mr. East.

Y ahora sabemos exactamente qué significan esos cuatro números, de dónde vienen, y por qué importan.

¿Qué es la dureza? Una ventana hacia el pasado.

¿Qué significa el rango? Un objetivo de resistencia a la tensión.

¿Por qué es el rango correcto? Porque los equipos rotativos exigen tanto resistencia como tenacidad.

¿Dónde está escrito? En las manos de todo ingeniero que tuvo un buen mentor.