ENSAYO DE DUREZA

ENSAYO DE DUREZALaboratorio de Ciencia de los Materiales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICALaboratorio de Ciencia De Los Materiales

INFORME N 1ENSAYOS DE DUREZA

Curso:Ciencia De Los Materiales // MC112-EProfesor:Ing. Zamora Ramos LucianoIntegrantes: Corzo Matamoros, Jimmy Dangelo20090188I

2011-I

NDICENDICE2OBJETIVOS3FUNDAMENTO TERICO3DUREZA ROCKWELL3DUREZA BRINELL5DUREZA VICKERS5DUREZA SHORE6DESCRIPCIN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS6Equipo Rockwell:6Equipo Vickers:7Equipo Shore:7Durmetro Universal:8DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO8Mtodo Rockwell (HRB/HRC):8Mtodo Vickers (HV):9DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO10En el Equipo Rockwell:10En el Equipo Universal:10En el Equipo Vickers:10CLCULOS Y RESULTADOS11En el Mtodo Rockwell:11Resultados11En el Mtodo Vickers:11Resultados12CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES13CUESTIONARIO13BIBLIOGRAFA15

OBJETIVOS

Diferenciar los tipos de ensayos de Dureza. Conocer y aplicar las normas que establece la Norma Tcnica Peruana. Aprender de forma prctica el proceso para determinar la dureza de un material. Identificar a los materiales mediante la su dureza y poder compararlos e identificarlos mediante las escalas de dureza ms importantes.

FUNDAMENTO TERICO

Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial del material de resistir a la deformacin elstica, plstica o a la destruccin en presencia de acciones de contacto locales inferidas por otro material ms duro, que no se somete a la deformacin residual del cuerpo (indentor o penetrador) de determinadas forma y dimensin. Esta afirmacin es vlida no para todos los mtodos existentes. La variedad de estos mtodos y el sentido fsico diferente de los nmeros de dureza, dificulta la elaboracin de una definicin comn de la dureza como propiedad mecnica. A continuacin pasaremos a definir algunos principales mtodos para medir la dureza de un material:

DUREZA ROCKWELLLa dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un mtodo para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. 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 pulg, 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 (de 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 kilopondios. 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).

Valores tpicosEl 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 HB

DUREZA 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 kilopondios (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).

DUREZA SHORESe basa en la reaccin elstica del material cuando dejamos caer sobre l un material ms duro. Si el material es blando absorbe la energa del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide por esa razn solo se utiliza para materiales duros o muy duros, no es recomendado para materiales blandos. La prctica se realiza en un "esclermetro" o "escleroscopio", aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 g. La altura de la cada es de 254 mm y la escala est dividida en 140 divisiones.

Condiciones de ensayo:1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclermetro.2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque).

DESCRIPCIN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Equipo Rockwell: Marca: Wilson. Se utiliz 4 probetas lisas de pulgada. Se utiliz 2 cargas: 60kg y 100 kg. Usa 4 yunques diferentes.

Figura 1. Durmetro Rockwell del Laboratorio 4 de la FIM.

Equipo Vickers: Marca: Lits (alemn). Cuenta con: un lente oscilador, un lente objetivo, un sistema de iluminacin y una rejilla graduada con lneas de separacin de 25 micras.

Figura 2. Durmetro Vickers del Instituto de Motores (FIM).Equipo Shore: Esclermetro Shore. Cuenta con: Un vstago de vidrio con metraje, lupa acoplada al vstago, manguera, bombilla, Martillo de 1/22 onzas (indentador en este caso).Figura 3. Durmetro Shore del Instituto de Motores (FIM).Durmetro Universal: Marca: Zwick 3106. Se utiliz 5 probetas lisas de pulgada. Se utiliz 2 cargas: 60kg y 100kg.

Figura 4. Durmetro digital Universal del Instituto de Motores (FIM).DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTOMtodo Rockwell (HRB/HRC):

1. Para realizar el ensayo de Dureza Rockwell primero debemos verificar que el equipo se encuentre en las condiciones apropiadas. Las cuales son que el dispositivo con el que se ejercen los esfuerzos debe permitir la aplicacin de la carga inicial, la sobrecarga y el retiro de esta ltima en forma lenta y uniforme, sin vibraciones ni choques. Asimismo, el penetrador debe presentar una dureza Vickers mayor a y un dimetro nominal de con una tolerancia de . Esta, adems, debe ser pulida, exenta de grietas y todo defecto superficial.2. Una vez verificada la conformidad del equipo procedemos a colocar el espcimen en una superficie plana y rgida a fin de que apoye perfectamente y no sufra desplazamiento durante el ensayo. Las superficies en contacto deben estar limpias y exentas de materias extraas.3. El penetrador debe ponerse en contacto con la superficie del espcimen perpendicular a l. Posteriormente, sin choque y con sumo cuidado se debe aplicar la carga inicial de , que produce una penetracin inicial . Alcanzada esta carga se ajusta el aparato haciendo coincidir la aguja indicadora con el origen de las lecturas. Por ltimo, aplicamos la sobrecarga de lentamente en un lapso de 3 a 6 segundos que logra una penetracin mxima.4. Despus de retirar la sobrecarga realizamos la lectura en el equipo, de donde deduciremos la Dureza Rockwell del espcimen.

Figura 5. Detalle de la incidencia del penetrador en las tres fases. Mtodo Vickers (HV):

1. Antes de realizar el ensayo de Dureza Vickers debemos verificar que el equipo cumpla los requerimientos necesarios. En especial el penetrador o indentor de diamante, el cual tiene la forma de una pirmide de cuatro caras con un ngulo en el vrtice de .2. Luego, se garantiza que la superficie de la muestra este totalmente limpia y sea completamente perpendicular al penetrador. Para esto, nosotros utilizamos plastilina y un aplanador a presin manual con el cual otorgamos estas caractersticas al espcimen.3. Seguidamente procedemos con el ensayo colocando la carga correspondiente, segn el material, al equipo.4. Terminada esta operacin, retiramos la carga y procedemos a la medicin de las diagonales de la carga con ayuda del microscopio.

Figura 6. Vista de las dos diagonales generadas por la incisin al material.

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIOEn el Equipo Rockwell:Material

EscalaCarga (kg)IndentorDureza

Acero liso(SAE1010)B100Bola 1/1679,5

Acero corrugado(SAE1045)B100Bola 1/1694

AluminioH60Bola 1/887,5

CobreF60Bola 1/1644

BronceF60Bola 1/1690,5

En el Equipo Universal:Material

EscalaCarga1Medicin2Medicin3MedicinPromedio

Acero liso(SAE1010)B10080,478,779,179,4

Acero corrugado(SAE1045)B10096,496,296,696,4

AluminioF6052,048,253,551,2

CobreF6042,046,741,343.3

BronceB10059,860,659,559,97

En el Equipo Vickers:MaterialCarga(gramos)Diagonal 1(micras)Diagonal 2(micras)Promedio deDiagonales

Aluminio200g75-75 micras

Cobre Recocido200g62-62 micras

Bronce200g40.840.440.6 micras

Acero liso(SAE1010)200g48-48 micras

Acero Carburado (SAE1045)200g37-37 micras

CLCULOS Y RESULTADOSEn el Mtodo Rockwell:La medicin es directa por cuanto la escala Rockwell B aparece con nmeros rojos en la parte frontal del durmetro, que hacen referencia al indentor en bola que empleamos con el durmetro Rockwell de marca Wilson.

Figura 7. Escala Rockwell.Resultados

Material

EscalaCarga (kg)IndentorDureza

SAE1010B100Bola 1/1679,5Ferrosos

SAE1045B100Bola 1/1694

AluminioH60Bola 1/887,5No Ferrosos

CobreF60Bola 1/1644

BronceF60Bola 1/1690,5

En el Mtodo Vickers:La escala Vickers es otro ensayo de penetracin que usa un indentor de diamante con un ngulo de 136, como lo muestra la figura:

Figura 8. Indentor de Diamante (Pirmide).

Deja una huella en la probeta de forma rmbica, de la cual calculamos las longitudes de las diagonales con la ayuda del durmetro Vickers; para lo cual observamos por la lente del durmetro y observamos lo siguiente:

Figura 9. Lectura en Escala Vickers.Debemos tener presente que la distancia entre cada lnea de color negro equivale a 25 micras, para calcular el sobrante (D) ajustamos el graduador de tal manera que la lnea negra ms cercana intercepte a la punta superior de la huella. Esta distancia recorrida es la que arrojar la regla inferior a la huella, con esto obtenemos la distancia de la diagonal y hacemos el mismo proceso para la otra diagonal para hallar el promedio de diagonales.

Figura 10. Huella de la probeta y promedio de diagonales.

Resultados:ProbetaD (micras)P (gramos)Dureza(HV)

Aluminio 7520065.93

Cobre6220096.48

Bronce40.6200224.99

SAE101048200160.97

SAE104537200270.91

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Recomendamos tener sumo cuidado al momento de hacer las mediciones y verificar que la plataforma sobre la que est la maquina con la que realizaremos el ensayo de dureza no este inclinada, ya que cualquier movimiento de la plataforma de maniobra del equipo puede alterar los resultados.

Recomendamos tener en cuenta que es necesario contar con la indumentaria adecuada (guardapolvos, guantes, etc.) al momento de realizar los ensayos.

Concluimos que en las mediciones de dureza es necesario tener a la mano bloques de referencia con las escalas respectivas en las que se est midiendo, para evitar posibles errores al hacer las mediciones.

Concluimos que en la medicin de dureza es necesario que el penetrador o juego de penetradores cuenten con certificado de calibracin de acuerdo con normas internacionales, es importante citar que no son transferibles los penetradores.

Concluimos que es importante revisar el buen estado de las mquinas a utilizar para el ensayo de dureza y mucho ms en caso de que este ya tenga un buen tiempo de uso, ya que eso se reflejara en nuestros resultados.

Finalmente es importante mencionar que una completa definicin de las escalas de dureza no solo requiere la utilizacin de una mquina, bloque de referencia, penetradores y fuerzas aplicadas sino que es importante, adems de lo anterior, seguir un ciclo de prueba comn al mtodo y escala que se est utilizando por eso es recomendable tener a la mano el procedimiento del ensayo a aplicar.

CUESTIONARIOCmo relaciona la dureza obtenida por el mtodo de dureza respecto a una aplicacin?Tomando en cuenta las tres propiedades fundamentales de los materiales que vienen a ser: la cohesin, la elasticidad y la plasticidad. Notamos que la propiedad que se relaciona con la dureza de los materiales es la cohesin, que es la resistencia que oponen los tomos a separarse unos de otros.Otra posible observacin respecto a la pregunta formulada es que simplemente la relacin que encontraramos de la dureza obtenida por el mtodo de dureza con la aplicacin es el procedimiento de la aplicacin al querer hallar la dureza de cierto material.Indique las ventajas y desventajas entre los mtodos de dureza Rockwell, Vickers y Shore. Ventajas del mtodo Rockwell: Mtodo rpido y preciso, no necesita de operarios especializados. Huellas ms pequeas que el mtodo Brinell. Inconveniente tiene que si el material no asienta perfectamente, las medidas resultan falseadas. Prueba de dureza para aceros templados.Ventajas del mtodo Vickers: Las huellas Vickers son comparables entre s; independientes de las cargas. Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegndose hasta 1.150 HV. Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas pequeas, hasta espesores de orden de 0,05mm. Puede medirse dureza superficial. (Para determinar recubrimientos de los materiales) La escala Vickers es ms detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad RockwellVentajas del mtodo Shore No se produce prcticamente ninguna huella en el material ensayado. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas. Es el nico ensayo NO destructivo para medir durezas. Es un mtodo rpido.Una lmina de acero de 4 mm de espesor ha sido medida en las mquinas Rockwell y Brinell obtenindose durezas de 20.0 HRC y 229 HB. Explique en los dos casos si las mediciones de dureza son correctas.Brinell Dimetro Huella Dureza Brinell (HB) Dureza Rockwell (Ha) Dureza Rockwell (HRb)Dureza Rockwell (HRc)Dureza Vickers (HV)Shore Resistencia a la traccin Kg/mm2

4.00 229 61.0 99 21 229 35.0 77.9

4.05 223 60.5 98 20 223 34.0 75.8

Segn las tablas de equivalencia de durezas a la dureza Rockwell de 20HRc le corresponde una dureza Brinell de 223 Hb, mientras que a la dureza Brinell de 229 Hb le corresponde una dureza Rockwell de 21 Hrc, por lo tanto una de los dos mtodos ha sido medida de manera incorrectaDefina qu es la dureza, que involucre en forma genrica a todos los mtodos.La dureza se define como la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro material ms duro. La dureza puede determinarse tomando como base varios procedimientos de resultados comparables, entre estos tenemos:a. Por rayado .- escala Mosh (esclermetro de Marlen usado en mineraloga).b. Por abrasin .- mtodo de la lima.c. Por penetracin .- los ms usados en metalografa (Brinnell, Vickers, Rockwell, etc.).d. Por rebote .- usado para pequeas durezas (Shore).La determinacin de la dureza, se hace generalmente por los ensayos de penetracin, que consiste en dejar una huella en el material que se ensaya, aplicando sobre el un penetrador con una presin determinada y hallando el ndice de dureza en funcin de la presin ejercida y la profundidad o dimetro de la huella. Los mtodos ms usados son los de Rockwell, Brinnell y Vickers.Usando una lima tratando de sacar viruta, nos dara una idea conceptual de las caractersticas y propiedades del material? Explique.Si debido a que en todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de s la lima entra o no entra sabremos:-No entra, el material raya a la lima; Dureza mayor de 60 HRC-Entra, la lima raya al material; Dureza menor de 58 HRCEs necesario mencionar que nos estamos refiriendo a la lima que se utiliza en industria y la pregunta hace referencia tambin al mtodo de la lima (anteriormente mencionado).

BIBLIOGRAFA Tecnologas de los Materiales Industriales. Lasheras, Esteban. Pg. 193-203 Tratamiento Trmico de los Aceros. Apraiz, J. Tcnicas de Laboratorio para pruebas de Materiales (Keyser, Carl. Limusa-Wiley). Pruebas Mecnicas y Propiedades de los Metales (Zolotorevski, V. Editorial Mir). The testing and Inspection of Engineering Materials (Troxell).15