Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito Materiales Grupo 4Integrantes Edgar Eduardo CarrazcoDavid Santiago Pérez Alarcón Diego Alejandro Sosa AcevedoDavid Alejandro Sanabria Martínez

Dureza

Condición de la superficie de un material, la cual no representa ninguna propiedad de la materia sin embargo se relaciona con las propiedades elásticas y plásticas brindando una idea de solidez y firmeza por lo tanto se puede definir como la propiedad que tienen los materiales de resistir la penetración de un identador el cual ejerce una carga sobre su superficie.

“Resistencia de un material a la deformación plástica localizada”

Sin embargo la definición general puede variar de acuerdo al método particular con el cual se determina el valor de la misma.

1) Resistencia a la identificación permanente bajo cargas estáticas o dinámicas ( dureza por penetración)

2) Absorción de la energía bajo cargas de impacto o dinámicas ( dureza por rebote)

3) Resistencia a la abrasión ( dureza por desgaste)

4) Resistencia al rayado ( dureza por rayado)

Métodos para medir la dureza

Consisten en producir una deformación local, en el material el cual se quiere ensayar por medio de un identador. Los resultados obtenidos dependen del método y las condiciones presentes en el momento de hacer la prueba por esta razón para que un

valor de dureza sea útil y comparable se debe especificar el método que se utilizó junto con las condiciones.

Existen dos grupos de clasificación de método según la forma de aplicación de carga.

- Ensayos estáticos

Donde la carga se aplica de forma estática o semi-estatica, allí el identador presiona la superficie de ensayo con una carga ejercida de manera lenta. La medida de dureza en este tipo de ensayos es el resultado del cociente de la carga aplicada y el área de la huella que deja el identador en la superficie.

Métodos

Brinell, Vickers y Rockwell

- Ensayos dinámicos

Donde la carga es ejercida sobre la superficie en forma de impacto, el identador es lanzado sobre el material a ensayar allí la energía del identador es conocida. La dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador después de haber impactado el material.

Métodos

Shore y Leeb

En este tipo de ensayos los resultados obtenidos son dependientes de las propiedades elásticas del material, esto permite la comparación solo con materiales de propiedades iguales.

La medición de dureza se utiliza para:

- Evaluar la efectividad de un tratamiento térmico

- Evaluar la resistencia al desgaste de un material.

- Evaluar la maquinabilidad - Resistencia de tracción de un

material Importancia de los ensayos de dureza Junto con los ensayos de tracción son los más utilizados en la selección y control de calidad de los materiales en las líneas de producción favorecidas por la automatización de los métodos tradicionales tales como el Rockwell y Brinell en sus ciclos de medición siendo estos prácticamente autónomos dentro de la planta, sumado a esto los avances en microelectrónica y software se han desarrollado instrumentos portátiles donde son útiles para medir en lugares donde los métodos tradicionales son aplicables.

Clasificación de métodos

Ensayos Estáticos

Dureza Brinell (BHN)

Consiste en presionar la superficie del material con una bola de acero duro o carburo de tungsteno, esto produce la impresión de un casquete esférico que corresponde a la porción de esfera que penetra, fig 1. Valor de dureza es el número de Brinell HB el cual resulta del cociente entre la carga aplicada P sobre la superficie del casquete

Ecuación 1

La profundidad h se obtiene directamente de la maquina en el instante donde la bola presiona la superficie.

Fig 1

Existe otra manera de determinar HB partiendo del diámetro de la impresión, esto da como ventaja la posibilidad de realizar tantas mediciones como se requiera, en este caso el valor del diámetro resultara del promedio de dos los cuales se medirán a 90 grados con respecto a la horizontal. Fig 2,3

Ecuación 2

Fig 2

Fig 3

El número de Brinell se puede obtener directamente de una tabla, donde se mira la relación entre el diámetro de la impronta y el número de la tabla, sin embargo existen variaciones de diámetro según el material y las condiciones de la práctica como se muestra en las figura 2 y 3, el diámetro d obtenido no coincide con h ya que esta no corresponde al casquete cuyo diámetro es d, por esta razón se ha tomado la decisión de tomar el número HB en función de d para ello se requiere una precisión del 0.01 mm

Los durómetros modernos poseen sistemas electrónicos capaces de calcular el número HB al instante lo cual es una ventaja en la línea de producción como ya se había mencionado antes, gracias a esto se podrán hacer tantos ensayos como se requiera en un lapso de tiempo corto.

Fig 4.De derecha a izquierda (Durómetro fijo y durómetro portátil)

Ensayos comparables

Sí se tiene en cuenta que los penetradores pueden sufrir deformaciones cuando se realizan varios ensayos, solo se podrán comparar los valores de dureza cuando las geometrías de las impresiones son geométricamente

semejantes, esto es posible solo cuando el ángulo α del casquete es el mismo para todos los casos, Fig 1. Matemáticamente la comparación se puede ver de la siguiente manera.

Ecuación 3

Por ello para la misma bola se requiere que está cumpla con la condición d/D, sin embargo sí sobre un mismo material se realizan dos ensayos en distintas condiciones (cargas y penetradores diferentes) se obtienen improntas diferentes per los valores de dureza deben ser iguales, de allí salen los resultados obtenidos plasmados en tablas según la norma astm E10, donde depende de la constante C.e

Tabla 1

Identador

Se puede considerar un penetrador normal una bolilla de 10mm de acero duro HB= 630, el cual se puede emplear en probetas de menor espesor.

Las normas ASTM definen que e debe ser menor a 10h para un espesor de probeta determinado y distintas condiciones de carga, tabla 2.

En la siguiente tabla se muestra el diámetro de la bolilla necesario en función del espesor de la probeta.

Tabla 3

Cargas empleadas

Según las normas ASTM, las cargas estándar son las de 3000,1500 y 500 kg relacionados con una bolilla de 10 mm.

Tabla 4

A su vez existen tablas que relacionan los diámetros de las bolas y las constantes de ensayo.

Tabla 5

Tiempo de aplicación de la carga

La carga máxima se alcanza en un lapso de 15 segundos, para aceros 30 segundos y para metales más dúctiles 45 segundos. Para metales ferrosos la carga se

mantiene 30 segundos y 60 segundos para otros metales.

Los tiempos tiene influencia en el valor de la dureza ya que si la velocidad de aplicación es muy alta (tiempo de crecimiento de carga corto) se puede producir una sobrecarga lo cual ocasiona una huella de mayor diámetro.

Indicación del valor de la dureza

Consideraciones

- Las caras de la probeta deben ser lo más planas y paralelas posibles, deben estar pulidas.

- La cara deberá estar perpendicular y estática a la bola durante la práctica.

- El centro de la impresión debe distar 2d del borde de la probeta y 3d de la otra impresión.

- Sí la pieza a ensayar no posee superficie plana, si no curva la bola debe tener una curvatura no menor a 25 mm.

Alcance y aplicabilidad

Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros, sin embargo la dureza máxima es de HB= 600 por esta razón es recomendable determinar la dureza por Rockwell o Vickers.

Dureza Rockwell (RA , RB , etc ¿.

La dureza se determina e función del grado de penetración de la pieza a ensayar gracias a la carga ejercida, difiere al método de Brinell en la medida de que las cargas son menores y los penetradores son más pequeños esto produce que la impronta sea de menor tamaño y profundidad.

Este método no posee formula alguna ya que la determinación de la dureza del material a ensayar se obtiene directamente del indicador de la maquina la cual depende del incremento de profundidad de la penetración por acción del penetrador el cual puede ser una boquilla de acero o un cono diamante.

Operación esquemática

Fig 5

Inicialmente se aplica una carga de 10 kg la cual causa una penetración

inicial A que pone al penetrador sobre el material colocándolo en posición.

Fig 6

El punto A es el punto de referencia donde el dial es igual a 0, allí se mide la identación y se aplica carga adicional.

Fig 7

La carga adicional generalmente es de 50 o 90 kg con una bola como

penetrador, cuando es un cono de diamante es de 140 kg. El resultado da una penetración B sobre el material.

Fig 8

Se retira la carga adicional lo cual permite que el material se recupere elásticamente lo cual da como resultado una penetración final C.

El valor de la dureza será dado por la diferencia entre A y C, lo cual registra la máquina.

Cargas, Penetradores y Escalas

Dadas las cargas mencionadas anteriormente, teniendo en cuenta que los penetradores pueden ser bolas de acero o un cono de diamante cuya punta tiene radio de 0.2 mm y un ángulo de 120 grados, se podrán obtener distintas combinaciones de carga y penetradores actualmente existen 15 diferentes. Tabla 6

El número de dureza está determinado a una escala especifica un ejemplo de ello es HRC la cual significa dureza de Rockwell escala C (cono diamante y carga de 150 kg).

Empleo útil de los penetradores

Tabla 7

Esto depende del material de prueba y sus propiedades para ello se deben consultar la tabla 6 y la tabla 7.

Condiciones de ensayo

- La cara del material a ensayar deber ser lisa y plana, la carga debe actuar de forma perpendicular a la probeta estática.

- El espesor de la probeta debe ser menor de 10 veces el incremento de penetración (cono de diamante) y 15 veces (bola de acero).

- Se debe revisar norma ASTM E18

Tabla 6

Dureza superficial de Rockwell

En este caso la carga inicial es de 3 kg y las cargas adicionales serán 12,27 y 42 kg. Este tipo de práctica se utiliza cuando el material a ensayar es extremadamente delgado (hojas de afeitar) para ello se utiliza una punta de diamante y con penetradores esféricos los aceros blandos. La penetración en este tipo de situaciones es de 0.1 mm las cargas y combinaciones se distinguen con los subíndices N,T,W,x y Y . Tabla 6un ejemplo de ello se puede evidenciar en la siguiente especiación.

significa dureza Rockwell superficial – carga : 30 kg – penetrador: cono diamante

Fig 9

Ciclo de medición

Se divide en 8 pasos fig 10, la velocidad con la que se ejecuta cada uno de estos pasos tiene influencia sobre el valor de dureza que se obtiene.

1) Velocidad del identador en el punto de contacto con el material que se ensaya.

2) Velocidad de aplicación de la fuerza inicial.

3) Tiempo de permanencia de la fuerza inicial. Es el tiempo que la fuerza inicial permanece a valor constante antes de que la línea base de referencia de la identación sea tomada.

4) Velocidad de aplicación de la carga adicional.

5) tiempo de permanencia de la carga total. Es el tiempo que permanece toda la carga aplicada sobre el material que se ensaya.

6) Velocidad con que se retira la carga adicional.

7) Tiempo de recuperación elástica del material. Es el tiempo que existe entre que se retira la carga adicional y se mide la profundidad de identanción.

8) Velocidad con que se retira la carga inicial.

Los efectos de cada paso sobre el resultado final (dureza) pueden ser clasificados:

1) Efectos de velocidad de crecimiento de las fuerzas 1, 2, 4, 6,8.

2) Efectos de tiempo de permanencia 3,5,7

Las variaciones de tiempo del primer grupo exceptuando el 8 influyen sobre el resultado final del valor de la dureza.

Fig 10

Dureza Vickers (VHN)

Para determinar dicha dureza es similar a la dureza de Brinell ya que se obtiene del cociente entre la carga aplicada y la superficie donde se hizo la imprenta, la diferencia radica en que se utiliza una carga pequeña y el penetrador es un diamante en forma de pirámide.

Ecuación 4

Número de Vickers en función de la profundidad de penetración h.

Las cargas varían de 1 a 100 kg según el material y su espesor, las más usadas son las cargas de 30 y 50 kg.

Notación

Dureza de Vickers a una carga de 30 kg

Consideraciones

- Se deben seguir las mismas recomendaciones de Brinell y Rockwell.

- La carga debe actuar durante 10 a 30 segundos.

- El espesor de la probeta debe ser 1,5 veces la longitud de la diagonal de la impresión lo cual es lo mismo que 7 veces h

Fig 11

Fig 12

Como se denota en la siguiente grafica el VHN es similar al BHN en el intervalo de 250-600.Las ventajas del ensayo Vickers está en su capacidad de obtener medidas de dureza en niveles altos y para medir la dureza en zonas demasiado pequeñas o puntuales. Por otro lado el BHN nos da un mejor efecto promedio si es lo que se desea debido a que la impresión sobre el material es más grande.

FORMA DE DENTACION.

Ensayos dinámicos

En este tipo de ensayos la carga aplicada se da en forma de impacto, lo cual dista de los métodos mencionados anteriormente los cuales la carga es aplicada de manera progresiva, la determinación de la dureza depende de la energía absorbida por el material de prueba, estos resultados dependen de la elasticidad del material por lo que permitirá comparar los resultados con materiales de propiedades idénticas.

Método de Shore

Consiste en determinar el rebote que sufre un percutor lanzado desde una altura determinada contra la superficie del material ensayado.

El percutor es de acero en forma cilíndrica y punta redondeada la cual también puede ser de diamante, el peso de este oscila entre los 3 y 7 gramos, la altura a la cual se deja caer es de 250 mm, la lectura de rebite se hace en una escala de 140 divisiones donde un rebote de 100 divisiones corresponde a un acero templado.

De esta manera cuando el percutor cae sobre una superficie una fracción de la energía potencial es absorbida la deformación plástica de la superficie. Sí impacta una superficie blanda con respecto a una superficie dura la altura después del impacto es menor en la plástica ya que se absorbe más energía.

Fig 13

Escleroscopio de registro caratular

Dureza de Leeb

Es la evolución del método de Shore, donde un cuerpo con un percutor el cual es una bola de tungsteno de 3 a 5 mm de radio se lanza a una velocidad conocida por la acción de un resorte, al igual que en Shore cuanto más blando el material menos será la altura después del impacto ya que este absorbe más energía potencial. La velocidad se mide gracias a la diferencia de potencial eléctrico que se genera en una bobina.

Por lo tanto se permite medir dureza en cualquier dirección. Esto se debe a que el percutor es lanzado por acción de un resorte, y a que se mide la velocidad antes y después del rebote, lo que permite la corrección por software del valor del cociente de velocidades VR/VI en función del ángulo de medición.

Fig 14

Fig 15

Representación de voltaje que genera la bobina antes y después del rebote

CONCLUSIONES

Se concluye que todos los ensayos de dureza dependen de la resistencia a la deformación plástica. En consecuencia a esto no debe sorprender que la dureza de una barra o algún material sea mayor después de ser trabajada en frio, debido a que ya se han utilizado los lugares para un desplazamiento fácil y hay mayor número de dislocaciones. Por lo anterior mencionado, existe una buena correlación entre la dureza y la resistencia.

Anexo 1

ASTM E 10

Este método de ensayo describe la determinación de la dureza Brinell en materiales metálicos (A) así como el método de verificación de máquinas y equipos (B) y la calibración estándar para las probetas(C).

A. Descripción general de las pruebas Brinell.

El tipo de máquina que se utiliza para este tipo de pruebas tiene que estar altamente calibrado para que sus medidas sean lo más exactas posibles, ya que cualquier mínimo error ocasionado por movimientos del indentador, superficie inclinada etc, dará un dato incorrecto poco confiable.

La esfera estándar que se utiliza para este tipo de pruebas es la de diámetro 10mm con un porcentaje de error o desviación de no más de 0,005mm. Las otras esferas con diámetro menor se plantean en la siguiente tabla.

Diámetro mm Tolerancia mm1 a 3 0,00353 a 6 0,0046 a 10 0,0045

Las esferas tienen que estar pulidas y sin ningún defecto, y con una dureza vikers de no menos de 850 H. El ensayo de brinell no es recomendado para materiales con una dureza superior a 650 HB.

Procedimiento.Para obtener la dureza Brinell de la superficie de un material se presiona contra la probeta una bola de acero con un diámetro establecido ya antes planteado. Esta se mantiene un tiempo fijo para luego retirar la carga y proceder a medir los diametro, en

direcciones mutuamente perpendiculares, de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de los diámetros (d) y los otros valores se sustituyen en la fórmula de trabajo para obtener el valor de la dureza Brinell. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más.

B. Método de verificación de máquinas y equipos.Verificación directa. Se realiza una detallada verificación de cada una de las partes encargadas de una buena medición de la máquina de ensayos.Verificación indirecta. Es necesario que la probeta no tenga ningún tipo de imperfecciones además de que esté bien pulida y sin óxido.

C. Calibración estándar para las probetas.Este método comprende:i) Preparación de las probetasii) Procedimiento a seguiriii) Calibración del indentadoriv) Medición de las marcas.

Tabla de selección de los grados de fuerza para pruebas Brinell

ASTM E-18

Este método de ensayo permite definir la dureza Rockwell y Rockwell superficial así como la descripción general y procedimiento de ambas pruebas (A)(B), método de verificación de máquinas y calibración de probetas.

A. Descripción general y procedimiento Dureza Rockwell.La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que identifica la precarga, carga y tipo de penetrador. Esto esta establecido en la Tabla 6 de este mismo documento.

El indentador de diamante debe ser un cono con punta esférica altamente pulida. El ángulo debe de ser de 120°. La punta debe ser una esfera de diámetro ~0,20 mm.El indentador esférico es una bola de acero endurecido y deben tener una dureza Vickers de al menos 850.

B. Descripción general y procedimiento para pruebas de dureza Rockwell superficial.Se utiliza las escalas N, T, W, X y Y para los siguientes materiales.N: aceros nitrurados, flejes y hojas de afeitar Aceros y metales duros Aceros cementados. T: aceros blandos; metales no muy duros en general W, X y Y : metales muy blandos

Indentador cónico. Se emplea en los ensayos de dureza para la escala N. Está constituido por un diamante en forma de cono recto cuyo ángulo en el vértice es de 120°.Indentador esférico. Se emplea en los ensayos de dureza superficial para las escalas: T, W, X y Y. Está constituido por una esfera de acero templado y pulido.

Escala T W X YDiametro mm

1,5875 3,175

6,35 12,7

C. Método de verificación de la máquina para dureza Rockwell y dureza Rockwell superficial.Verificación directaDescribe la verificación independiente del indentador (Cónico y esférico), carga aplicada y microscopio para medir el diámetro de huella.Verificación indirecta

Describe una verificación estándar de la probeta.

D. Método de calibración de muestrasEste método de ensayo comprende:i) Preparación de las probetasii) Procedimiento a seguir.iii) Calibración del indentadoriv) Medición de las marcas.

Bibliografía

Determinación de la dureza rockwell, norma técnica ecuatoriana https://law.resource.org/pub/ec/ibr/ec.nte.1053.1984.pdf

DETERMINACIÓN DE LA DUREZA BRINELL, norma técnica ecuatoriana https://law.resource.org/pub/ec/ibr/ec.nte.0123.1984.pdf

Pagina Web pdf: http://190.105.160.51/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf