Laboratorio Ensayo de Dureza

UNT-Dpto. de Física FÍSICA DE METALES Wilder Aguilar C.Laboratorio de Física de Materiales PRÁCTICAS DE LABORATORIO Pedro De la Cruz “Dr. Lennart Hasselgren”

ENSAYO DE DUREZA

I. OBJETIVOSI.1 Aprender el uso del dispositivo de medición de dureza así como los aspectos

teóricos en los que se basa la medición de la dureza.I.2 Determinar la dureza lineal y transversal de una barra de acero y de latón.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y puede definirse como la resistencia de un material a la penetración o deformación plástica. Cuanta más pequeña sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, más duro será el material ensayado. El penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirámide o cono, hecho de un material mucho más duro que el material a ensayar, como por ejemplo acero endurecido, diamante o carburo de tungsteno sinterizado.

Los tipos de ensayos usados para determinar la dureza son:

Ensayos estáticos de indentación, en la cual una bola, un cono de diamante, o una pirámide es utilizado para dejar una muesca sobre el material a ensayar. La relación entre la fuerza total aplicada en el ensayo y el área o la profundidad de la indentación, proporciona la medida de la dureza. Pertenecen a este tipo los ensayos de dureza Rockwell, Brinell, Knoop, Vickers, y ultrasonido.

Ensayos dinámicos de dureza, en el cual un objeto de masa y dimensiones estándar se hace rebotar sobre la probeta; la altura de rebote se convierte en una medida de la dureza.

Ensayo de rayado, en el cual un material es capaz de rayar a otro. Ejemplo el ensayo Mohs.

El ensayo de dureza es tal vez el más simple y el método menos costoso de la caracterización mecánica de un material, puesto que no requiere una preparación muy elaborada de la muestra, los equipos de prueba son de bajo costo, y el ensayo es relativamente rápido.

ENSAYO DE DUREZA BRINELL (BHN)

Es una prueba de una simple muesca para determinar la dureza de una gran variedad de materiales. La prueba consiste en aplicar una carga constante, por lo general entre 500 y 3000 kgf, durante un tiempo determinado (10 a 30 s) usando una bola de 5 o 10 mm de diámetro (0.2 o 0.4 pulgadas) de acero templado o con carburo de tungsteno, sobre la superficie plana de una pieza. El periodo de tiempo de la carga es necesario para garantizar que la deformación plástica del material ha cesado. Después de remover la carga, se mide el diámetro de la impresión en milímetros, usando un microscopio de baja magnificación.


La dureza es determinada tomando el diámetro promedio de la impronta y calculando el número de dureza Brinell (BHN) dividiendo la carga aplicada por el área superficial de la impronta de acuerdo a la fórmula:

HBN= 2 P

πD (D−√D2−d2 )

Donde P es la carga, kg; D el diámetro de la bola, mm; y d es el diámetro de la impronta, mm.

Fig. 1 (a) Esquema del proceso de impronta Brinell. (b) Impronta Brinell con escala de medición en mm.

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL

La prueba de dureza Rockwell se define en la norma ASTM E 18 y varios otros estándares. Prueba de dureza Rockwell se diferencia de la prueba Brinell en que el número de dureza Rockwell se basa en la diferencia de profundidad de la impronta debido a dos aplicaciones de carga (Fig. 2). Inicialmente una carga pequeñas es aplicada, y se establece una referencia cero. Luego una carga mayor es aplicada durante un período determinado de tiempo, causando una profundidad de penetración adicional más allá del punto de referencia cero establecido con anterioridad por la carga menor. Después de mantener la carga principal por el tiempo especificado, este se retira sin dejar de mantener la carga

UNT-Dpto. de Física FÍSICA DE METALES Wilder Aguilar C.Laboratorio de Física de Materiales PRÁCTICAS DE LABORATORIO Pedro De la Cruz “Dr. Lennart Hasselgren”menor aplicada. El número Rockwell resultante representa la diferencia de profundidad desde la posición de referencia cero como resultado de la aplicación de la carga mayor. Todo el procedimiento requiere sólo de 5 a 10 s.

Hay dos tipos de pruebas Rockwell: Rockwell y Rockwell superficial. En los ensayos Rockwell, la carga menor es de 10 kgf (pre carga), y la carga mayor es de 60, 100 y 150 kgf. En los ensayos de Rockwell superficial, la carga menor es de 3 kgf, y las cargas mayores son de 15, 30 o 45 kgf. En ambos ensayos, el penetrador puede ser un cono de diamante o una bola endurecida, dependiendo principalmente de las características del material a ensayar.

Indentadores endurecidos tipo bola con un diámetro de 1/16, ⅛, ¼ y ½ pulgadas se utilizan para las pruebas de materiales más blandos, tales como aceros completamente recocidos, fundiciones de hierro más suaves, y una amplia variedad de metales no ferrosos.

Penetradores Rockwell de diamante se utiliza principalmente para pruebas de materiales duros tales como aceros templados y cementados. Los “materiales duros” son aquellos con dureza mayores de 100 HRB y más grande que 83.1 HR30T. El indentador de diamante Rockwell es de forma esferocónica, con un cono de 120º y un radio de la punta esférica de 200 um.


Fig. 2 Principio del ensayo Rockwell

Las escalas Rockwell se dan en la Tabla Nº 2.

Fig. 3 Penetrador Rockwell de diamante


ENSAYO VICKERS

El método de ensayo Vickers es similar al principio Brinell en la que un penetrador de diamante de forma de pirámide con un ángulo base de 136º se imprime sobre el material a ensayar (Fig. Nº 4). La fuerza imprimida se remueve y se miden las diagonales de la impronta cuadrada, luego el número de dureza se calcula aplicando la siguiente fórmula:


HV=2Psen (136 /2 )

d2=1.8544 P

d2

Donde P es la carga de indentación en kgf, y d es el promedio de la diagonal, en mm.

Las pruebas Vickers se dividen en dos tipos distintos: pruebas de macroindentación y pruebas de microindentación. Estas se definen por el tipo de carga utilizada, así en la macroindentación se utilizan cargas de prueba de 1 a 120 kgf según norma ASTM E 92; y en la microindentación Vickers las cargas son de 1-1000 gf y según la norma ASTM E384.

III. MATERIAL Y EQUIPOS

Materiales

Probetas provenientes de la práctica de tracción. Material para encapsulado de probetas.

Equipos

Equipos de corte y pulido de metales Máquina de desbaste Durómetro Universal

IV. PROCEDIMIENTO1. Cortar y preparar adecuadamente las probetas para los ensayos de dureza según las

normas correspondientes.

Fig. Nº 4 Indentador piramidal de diamante usado para ensayo Vickers


2. Medir la dureza Rockwell de todos los materiales. Recuerde que la dureza será el promedio de un número de medidas realizadas, el cual dependerá de la dispersión de los valores medidos. En consecuencia es importante hacer una distribución adecuada del espacio disponible para obtener el mayor número posible de medidas y un resultado confiable.

3. Realizar diferentes ensayos dureza, empleando la escala Brinell, con un penetrador de 2,5 mm de diámetro y tres cargas diferentes para las probetas de acero 1020 y latón. De ser posible realizar un mínimo de 3 repeticiones para cada carga. Se debe registrar el diámetro promedio de huella para cada carga y sus repeticiones. Con estos datos se elaborará la gráfica de carga vs diámetro de huella y se obtendrá el exponente de endurecimiento de Meyer.

V. CUESTIONARIO1. Elaborar una tabla comparativa con los valores de dureza Rockwell de todos los

materiales. Sí es necesario utilice una tabla de conversión para llevar todas las medidas de dureza a una misma escala. Discuta la diferencia entre los valores de dureza para los diversos materiales utilizados y haga referencia al valor reportado en la bibliografía.

2. Elaborar las gráficas de carga aplicada vs diámetro promedio de huella para la probeta de acero 1020.

3. ¿Cómo puede medir la profundidad de la impronta Rockwell, conocida la dureza Rockwell y que la pre carga genera una penetración de 0.002 mm?

4. Calcular el valor del exponente de la ecuación de endurecimiento por deformación deHollomon "m", usando la ecuación de endurecimiento de Meyer, para la probeta de acero 1020. Compárelo con el valor obtenido en la práctica de tracción, determine la diferencia (en porcentaje) entre ambos valores y discuta.

5. Empleando la gráfica de KB .vs. m, estime los valores de la resistencia máxima del acero 1020-0 y del latón (para entrar en la gráfica de KB vs. m use los valores de "m", de cada material, obtenidos en la práctica de tracción). Compárelos con los valores obtenidos en la práctica de tracción determine la diferencia (en porcentaje) entre ambos valores y discuta.

6. ¿Cómo se determina la dureza Shore y en qué casos se utiliza? Describa el equipo de ensayo Shore.

7. ¿Cómo se determina la dureza por rayado y en qué casos se utiliza? Describa el equipo experimental.

8. ¿En que situaciones es utilizado el ensayo de la microdureza y que preparación debe tener la muestra a ensayar?

9. Explique cómo, cuándo y con qué equipamiento se realiza la nanoindentación? VI. BIBLIOGRAFÍA1. ASM International Handbook Nº 8, Mechanical Testing and Evaluation, USA, 2000.2. Shackelford J. Ciencia de Materiales para ingenieros, Editorial Prentice Hall, 3era.

Edición, Mexico 1995.3. Dieter, E. Metalurgia Mecánica, Mc Graw-Hill. 4. Afanásiev, A., Marien, V., Prácticas de Laboratorio sobre Resistencia de Materiales,

Editorial Mir, URSS. 1978. W.A.C. 2011

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