FACULTAD DE MECNICA-UNI LABORATORIO DE CIENCIA DE MATERIALES

INTRODUCCIN

El ensayo de dureza es uno de los ms empleados en la seleccin y control de calidad de los materiales, es por ello que debemos conocer los mtodos de analizar los diferentes materiales considerando para ello los instrumentos adecuados para su anlisis. Para su evaluacin aplicaremos tres tipos de ensayos por indentacin esttica, el primero es el Ensayo Brinell, el segundo es el Ensayo Rockwell y por ltimo el Ensayo Vickers. A continuacin pasamos a detallar cada uno de los mtodos y desarrollar los experimentos realizados en el laboratorio, para as diferenciar y conocer la utilidad de los mismos.

1. OBJETIVOS

I. Ejecutar el procedimiento para la toma de durezas de los diferentes materiales. II. Diferenciar los mtodos empleados para su adecuada seleccin con los diferentes materiales a analizar. III. Distinguir los tipos de penetradores empleados en cada mtodo as como tambin las cargas.IV. Entender el significado de los resultados y comprender el comportamiento de los materiales en el ensayo de dureza.

2. DESARROLLO DEL ENSAYO2.1 Relacin de mquinas, equipos e instrumentos Durmetro Brinell-bola 10 (Tungsteno)-acero A36 (fierro negro)-carga de 3000kg.fNombre de la Mquina: Durmetro Brinell Nmero de serie: LS102DEFabricado por: AVERY-DENISON

Fig. 01. DUROMETRO BRINELL-Probeta Acero A36Fig. 01. DUROMETRO BRINELL

- Durmetro Rockwell- cargas: precarga, carga y finalmente carga total.- escalas: F y G- materiales: aluminio, cobre, bronce, SAE 10-10, SAE 10-45.Nombre de la mquina: DURMETRO ROCKWELLNmero de serie: 1JR0Fabricado por: WILSON

Fig. 02. DURMETRO ROCKWELL.

- Durmetro Vickers- carga: 100gr.- materiales: Bronce, SAE 10-10(Acero dulce), SAE 10-45(Acero de combustin).Nombre de la mquina: DURMETRO VICKERSNmero de serie: 626449Fabricado por: LEITZ WETZLAR

Fig. 03. DURMETRO VICKERS.

2.2. DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO

2.2.1. Durmetro Brinell

Para obtener la dureza Brinell de la superficie de un material, se presiona contra la probeta la bola de acero A36. Tomar el tiempo que se mantiene la bola bajo la fuerza de 3000Kg.f, previa indicacin del operador. Luego de retirada la carga se mide el dimetro de la huella generada.

2.2.2. Durmetro Rockwell

Acomodar de manera horizontal la superficie a experimentar. Montar el penetrador especfico para el tipo de ensayo requerido. Fijar el material a analizar para evitar desplazamientos. Seleccionar la carga a aplicar. Tomar datos de la dureza generada luego del experimento.

2.2.3. Durmetro Vickers

La superficie a ensayar debe estar pulida, y en forma horizontal. Presionar contra el material un indentador piramidal de diamante con ngulo entre sus caras = 136. La carga se mantiene un aprox. de 15 seg. Luego de retirada la carga se miden las dos diagonales de la huella dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la frmula de trabajo para obtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones ms.

3. FUNDAMENTO TERICO

Ladurezaes la oposicin que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetracin, la abrasin, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.

Enla industriala dureza se mide utilizando undurmetropara el ensayo de penetracin de un indentador. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.

A continuacin presentaremos los mtodos de dureza ms utilizados.

DUREZA ROCKWELL

El ensayo de dureza Rockwell constituye el mtodo ms usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilizacin de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prcticamente cualquier metal o aleacin.

Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esfricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, y pulgadas, y un penetrador cnico de diamante con un ngulo de 120 +/- 30' y vrtice redondeado formando un casquete esfrico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales ms duros.

El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la mquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, bsicamente para eliminar la deformacin elstica y obtener un resultado mucho ms preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que vara desde 60 a 150 kg a compresin.

Se desaplica la carga y mediante un durmetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual vara de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. Tambin se puede encontrar la profundidad de la penetracin con los valores obtenidos del durmetro si se conoce el material.

Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestin debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. Tambin decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debera hacerse un cambio de escala.El cambio de escala viene definido por tablas orientativas, puesto que no es lo mismo analizar cobre que acero. Estas tablas proporcionan informacin orientativa sobre qu escala usar para no daar la mquina o el penetrador, que suele ser muy caro.

Escalas de dureza Rockwell

Smbolo de la EscalaPenetradorCarga mayor(kg)Aplicaciones

ADiamante60Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

BEsfera de 1/16 pulgada100Aceros recocidos y normalizados.

CDiamante150Aceros tratados trmicamente.

DDiamante100Aceros cementados.

EEsfera de 1/8 pulgada100Metales blandos y antifriccin.

FEsfera de 1/16 pulgada60Bronce recocido.

GEsfera de 1/16 pulgada150Bronce fosforoso y otros materiales.

HEsfera de 1/8 pulgada60Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro.

KEsfera de 1/8 pulgada150Aplicaciones anlogas al tipo anterior.

Nomenclatura:Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente frmula:

Dnde: n es la carga aplicada en kg HR es el identificador del ensayo Rockwell letra va a continuacin de y es la letra correspondiente a la Escala usada

Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala B sera:

Condiciones del ensayo:

1. La superficie del material debe estar lisa, seca y libre de grasa, polvo etc.2. El espesor de la probeta debe ser por lo menos diez veces la profundidad de la huella, y el ensayo no es vlido si en la cara posterior a la del ensayo aparece una protuberancia.3. Si se ensaya una pieza cilndrica, el radio debe ser mayor en seis milmetros al del penetrador. Los valores de dureza resultan ligeramente inferiores a los valores reales.4. La aplicacin de la carga debe hacerse de manera perpendicular a la superficie de la probeta.DUREZA BRINELLSe denomina dureza Brinell a la medicin de la dureza de un material mediante el mtodo de indentacin, midiendo la penetracin de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el mtodo de dureza ms antiguo.

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (baja dureza) y muestras delgadas. El indentor usado es una bola de acero templado de diferentes dimetros. Para los materiales ms duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo tpico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milmetros de dimetro, con una fuerza de 3.000 kg.f. El valor medido es el dimetro del casquete en la superficie del material.

El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresin:

Dnde: P: Carga a utilizar medida en (kilogramos fuerza). K: Constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). D: Dimetro de la bola (indentor) medida en [mm]. Este ensayo slo es vlido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es vlido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

Frmula aplicadaPara determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuacin:

Dnde: P: Carga a utilizar medida en kilogramos fuerza. D: Dimetro de la bola (indentor) medida en (mm). d: Dimetro de la huella en superficie en (mm).

El valor HB suele ser menor que 600. Acero (blando): 120 HB Acero de herramientas: 500 HB Acero inoxidable: 250 HB Aluminio: 15 HB Cobre: 35 HB Madera: entre 1 HB y 7 HB Vidrio: 482 HBDUREZA VICKERSEl ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un mtodo para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kg.F. (De cinco en cinco). Su penetrador es una pirmide de diamante con un ngulo base de 136.

Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell). Este ensayo, adems, puede usarse en superficies no planas.

Sirve para medir todo tipo de dureza, y espesores pequeos. (Aunque si el material es muy blando, se usa el mtodo de Brinell). Se emplea para lminas delgadas de hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la mquina.Frmula aplicada

Dnde: P: Carga a utilizar en kilogramos fuerza. d: dimetro de la huella.

Condiciones de ensayo:

1. La superficie de la probeta debe ser pulida, plana; estar limpia, homognea y perpendicular a la bola, libre de xido y lubricantes.2. s = 1,5 d (s= espesor de la probeta).3. Distancia entre centros de 2 huellas = (3-6) d.4. Distancia del centro de la huella al borde = 2,5-3) d.5. Temperatura de ensayo = 6. En probetas cilndricas, P debe ser tan pequea que f < 0,01 mm. d 0,001 mm. ; d> 0,5 mm. d 0,01 mm (f : profundidad de la huella).

4. TOMA DE DATOSEn el Equipo Rockwell:Material

EscalaCarga (kg)IndentadorDureza

Aluminio B60Bola 1/1652

Cobre B60Bola 1/1689.8

Bronce H150Bola 1/852.5

Acero 1010B100Bola 1/1684.4

Acero 1045B100Bola 1/1694.1

En el Equipo Universal:Material

EscalaCarga1Medicin2Medicin3Medicin

Aluminio F60525256

Cobre F60909293

Bronce G150525354

Acero SAE 1010B100848584

Acero SAE 1045B100969696

En el Equipo Vickers:

MaterialCarga(g)Diagonal 1(um)Diagonal 2(um)Diagonal 1(um)Diagonal 2(um)Diagonal 1(um)Diagonal 2(um)Promedio deDiagonales

Bronce100g383535.537393937.25 um

Acero SAE 1010100g37.5373836.5353536.5 um

Acero SAE 1045100g3535.536.534.529.53033.5 um

Material

Carga (kg)Indentadort (s)Dimetro de la huella

Acero A 363000Bola 10mm49 4.6 mm

Acero A 363000Bola 10mm274.57 mm

Acero A 36 3000Bola 10mm454.6 mm

Acero A 363000Bola 10mm42

Acero A 363000Bola 10mm-

En el Equipo Brinell:

5. CLCULOS Y RESULTADOSPARA EL ENSAYO ROCKWELL (HR)Material

EscalaCarga1Medicin2Medicin3MedicinPromedio

Aluminio F6052525653.3

Cobre F6090929391.6

Bronce G15052535453

Acero SAE 1010B10084858484.3

Acero SAE 1045B10096969696

PARA EL ENSAYO BRINELL (HB) Acero A 36 Carga utilizada (P) : 3000Kg bola o penetrador (D) : 10mm Tabla de datos obtenidos HB (10/3000/45) de la huella obtenida en la experiencia (mm)

Huella N1Huella N2Huella N3Huella N4Huella N5Promedio (d)

4.64.574.6

Para calcular la dureza Brinell se utiliza la siguiente frmula:

Reemplazando valores:

PARA EL ENSAYO VICKERS (HV) Pesa utilizada : 0.1KgPara calcular la dureza con el mtodo Vickers se utiliza la siguiente frmula:

Reemplazando valores se obtiene la siguiente tabla que muestran los datos obtenidos y la dureza Vickers correspondiente a cada material.

MATERIALd (mm)Peso (Kg.)Dureza (HV)

BRONCE37.250.1132.6

ACERO SAE 101036.50.1138.1

ACERO SAE 104533.50.1163.9

6. CONCLUSIONES

Se concluye en todas las experiencias que los materiales ms duros son los que tiene en su composicin ms carbono o mayor porcentaje de estos, en este caso lo aceros SAE 1010 y acero SAE 1045 son los ms duros entre todos los materiales.

El ensayo Brinell, el ms antiguo de todos; no puede ser utilizado para todos los materiales debido a que tiene restricciones, por lo que se utilizan otros ensayos de dureza como Rockwell, Vickers, Leeb, etc.

7. RECOMENDACIONES Informarse previamente sobre la realizacin de los ensayos de dureza antes de iniciar dicha prctica, asegurndote de este modo saber lo terico antes de la experiencia. Siempre asegurarse que el penetrador este de forma perpendicular con la superficie de la probeta. Siempre utilizar un patrn para los durmetros, de este modo se verifica que est funcionando correctamente. Asegurarnos adecuadamente que los materiales estn en perfectas condiciones, es decir limpios de impurezas, correctamente pulidos, lijados con el fin de que la superficie sea plana, lo que mejora los resultados en la experiencia. Las mediciones se deben hacer varias veces de este modo se trabaja con el promedio y se logra reducir la incertidumbre en el experimento.

8. BIBLIOGRAFA

The Science and Engineering of Materialsby Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay and Wendelin J. Wright

http://innovapucp.pucp.edu.pe/ensayos-de-laboratorios/presentacion-de-linea-de-negocio-ensayos-de-laboratorios/

Materials Science and Engineering: An Introductionby William D. Callister Jr. and David G. Rethwisch(Dec 30, 2009)

UNI-2015Pgina 4