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“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLOGICA, MINAS Y METALÚRGICA

“DETERMINACIÓN DE LA DUREZA Y RECILIENCIA” ASIGNATURA:

TRATAMIENTOS TERMICOS

DOCENTE:

ING. GUILLERMO BARRIOS RUIZ

TEMA :

DETERMINACION DE LA DUREZA Y RESILENCIA

ESTUDIANTE:

CCAPATINTA APARICIO ALVARO

CÓDIGO:

131477

Horario:

JUEVES 3-5 PM CUSCO – PERÚ 2018

PRESENTACIÓN Querido docente “ING. GUILLERMO BARRIOS RUIZ” me dirijo hacia su persona, para poner a su disposición el presente informe de laboratorio “determinación de dureza y resiliencia”. El siguiente informe es presentado con el objetivo de contribuir en la enseñanza impartida en las sesiones de práctica de laboratorio, a cargo de su persona, que ha hecho posible para nosotros, para poder adquirir y ampliar nuevos conocimientos así como el desarrollo de nuestras habilidades, las cuales, serán de mucho valor para nuestra vida profesional.

Atentamente

ALVAROCCAPATINTA APARICIO

DETERMINACIÓN DE LA DUREZA Y LA RESILIENCIA 1. OBJETIVO DE LA PRACTICA  Demostrar que los objetos metálicos, cuando son sometidos a temperaturas elevadas de calentamiento y diferentes velocidades de enfriamiento cambian su microestructura y por consiguiente sus propiedades física y mecánicas de los metales y aleaciones ferrosas y no ferrosas.  Conocer y distinguir la dureza de los distintos tipos de materiales macroscópicamente (fierro liso, fierro de construcción, muelle).  Determinar la dureza con probetas sin tratamiento térmico y por consiguiente sus propiedades físicas y mecánicas de los mismos. 2. MARCO TEORICO: Dureza: Es aquella propiedad de la capa superficial del material de poder resistir toda deformación elástica, plástica o destrucción debido a la acción de esfuerzos de contacto locales originados por otro cuerpo (llamado indentador o penetrador), más duro, de determinada forma y dimensiones, el cual no sufre deformaciones residuales durante el contacto. En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración de un indentador. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido. Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres. Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:





Durómetro. Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6 mm de espesor. Estima resistencia a tracción. Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.

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

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

Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella. Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial. Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000. Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros. Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2 mm de espesor. Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell. Por tanto, en general, se entiende por dureza a la propiedad que tienen los materiales de resistir la penetración de un indentador sometido bajo carga, y en este sentido, la dureza se define como la resistencia de un material a la deformación plástica localizada en su superficie.

DURÓMETRO Un durómetro es el instrumento de medición utilizado para realizar un ensayo de dureza y por ende poder medir la dureza de la muestra. Existen durómetros especializados y calibrados para las distintas escalas y tipos de dureza.

PÉNDULO DE CHARPY El ensayo de resiliencia sirve para determinar la fragilidad o resistencia que opone un material a la rotura. Esta resistencia se conoce por el nombre de resiliencia y se expresa en Julios. Para realizar el ensayo se emplea el péndulo de caída que mide la energía residual existente después de la rotura de la muestra de material. El péndulo de Charpy es un dispositivo a modo de péndulo ideado por Georges Charpy. Se utiliza en ensayos para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. Figura 1 Péndulo de Charpy La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el área debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia. La energía absorbida en el impacto por la probeta usualmente se calcula como la diferencia de alturas inicial y final del péndulo, esto supone, obviamente despreciar algunas pérdidas por rozamiento). La fórmula de cálculo para la energía de impacto:

𝜏 = 𝑃(ℎ − ℎ′ )𝑔 = 𝑃𝑙(cos 𝛽 − cos 𝛼)𝑔      

Donde: τ es la energía empleada en la rotura en Joules P es la masa del péndulo en Kg g es la gravedad (9,8 m/s²) h es la altura inicial del péndulo h' es la altura final del péndulo l es la longitud del péndulo en metros α y β son los ángulos que forma el péndulo con la vertical antes y después de soltarlo, respectivamente.

¿Qué es la Resiliencia? La resiliencia es la propiedad de un material que permite que recupere su forma o posición original después de ser sometido a una fuerza de doblado, estiramiento o compresión.

Lógicamente esto debe darse antes de que comience su deformación plástica (deformación permanente o irreversible), ya que en caso contrario no volvería a su forma original, y quedaría deformado permanentemente. Un material muy conocido por tener una gran resiliencia es la goma. La deformación elástica es la deformación mientras no rompa o se deforme permanentemente el material. La resiliencia se mide siempre dentro de la deformación elástica del material. Se llama límite elástico de un material, a la fuerza máxima que se le puede aplicar sin sufrir deformaciones permanentes. Por lo tanto, la energía que absorbe un material antes de llegar a su límite elástico es la resiliencia.

Si vamos sometiendo a un material cada vez a más fuerza, y el material no se rompe ni deforma permanentemente, su resiliencia irá aumentando. Si dejamos de aplicarle la fuerza la energía absorbida la liberará para volver a su estado o forma inicial. Su máxima resiliencia será cuando llega a romperse o deformarse permanentemente. Se podría decir que es la capacidad de memoria que tiene un material para volver a su forma inicial. Fíjate en la gráfica de un ensayo de resiliencia de un material. Su resiliencia va aumentando según aumentamos la fuerza sobre el material. A partir del límite elástico ya sufre deformaciones permanentes, y por lo tanto, ya no hay resiliencia.

Un material de alta resiliencia (resiliente) se deforma de manera importante antes de romperse, mientras que un material con baja resiliencia será un material frágil y apenas experimenta deformación alguna antes de romperse. La goma tiene alta resiliencia y el vidrio muy baja. La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y de cederla cuando se deja de aplicar la carga. Como ves significa más o menos lo mismo. La propiedad asociada se denomina módulo de resiliencia, Ur, y es con lo que se mide realmente la resiliencia de un material. El módulo de Resiliencia es la energía de deformación por unidad de volumen que se requiere para deformar un material hasta su límite elástico. Resiliencia por unidad de volumen. Se mide en Julios por Unidad de Volumen (Julios por metros cúbicos en el Sistema Internacional). Luego veremos más detalladamente el módulo de resiliencia. La cuantificación de la resiliencia de un material se determina mediante ensayo por el método Izod o el péndulo de Charpy, resultando un valor indicativo de la fragilidad o la resistencia a los choques del material ensayado. Luego veremos cómo se hacen estos ensayos.

Diferencia entre Tenacidad y Resiliencia Es importante conocer bien la diferencia ya que son términos parecidos y puede llevar a errores. La tenacidad es la cantidad de energía absorbida por el material justo antes de romperse (cuando rompe). La resiliencia nos dice la energía almacenada durante la deformación elástica. Un material puede sobrepasar su límite de resiliencia y seguir deformándose (ahora permanentemente) sin romperse. Una vez llega a la rotura, esa será su tenacidad. Normalmente un material tenaz (mucha fuerza para romperlo) suele tener mucha resiliencia.

Tenacidad: Una medida de la habilidad de un material para absorber energía sin fractura.

Resiliencia: Una medida de la habilidad de un material para absorber energía sin deformación plástica o permanente. DETERMINACION DE LA DUREZA “Guibaru” 𝑃 𝐵= 𝑆 DONDE: 𝐵 = Dureza Guibaru en 𝑘𝑔/𝑚𝑚2 𝑃 = peso del martillo 34.500 𝑘𝑔 𝑆 = superficie de la huella circular dejada por el punzón en 𝑚𝑚2 . DETERMINACION DE LA RESILIENCIA

𝑅=

𝑊 𝑆

DONDE: 𝑊 = energía absorbida para producir la fractura 𝑆 = superficie de la fractura en 𝑐𝑚2 .

𝑊 =𝑃∗ℎ

DONDE: 𝑃 = peso del martillo 34.500 𝑘𝑔 ℎ = Altura de caída que se absorbe para ocasionar la fractura de la probeta. 3. MATERIALES Y EQUIPOS  Fierro liso



Fierro de construcción



Muelle



Durómetro



Vernier



Durefactometro

4. PROCEDIMIENTO Procedimiento para dureza A. B. C. D. E.

Determinar la dureza y resiliencia sin tratamiento térmico de las probetas de muelle y fierro de construcción. Calentar las probetas a 900°C y luego enfriarlos en agua. Medir su dureza y resiliencia nuevamente. Calentar la probeta a 250°C, medir la dureza y resiliencia. Conclusiones y sugerencias. 5. CUESTIONARIO a) Objetivo de la practica

• Conocer y distinguir la dureza de los distintos tipos de materiales macroscópicamente (fierro liso, fierro de construcción, muelle).

b) Describa un equipo para determinar la dureza Un durómetro es un aparato que mide la dureza de los materiales, existiendo varios procedimientos para efectuar esta medición. Los más utilizados son los de Rockwell, Brinell, Vickers y Microvickers. Se aplica una fuerza normalizada sobre un elemento penetrador, también normalizado, que produce una huella sobre el material. En función del grado de profundidad o tamaño de la huella, obtendremos la dureza. Dentro de cada uno de estos procedimientos, hay diversas combinaciones de cargas y penetradores, que se utilizarán dependiendo de la muestra a ensayar. Funcionamiento del durómetro Para la medición de la dureza de materiales el durómetro funciona de la siguiente manera: Una vez que se selecciona el material del cual se quiere conocer la dureza se normaliza la fuerza que se le ha de aplicar a través de un elemento penetrador, que también debe estar normalizado. Dependiendo de la profundidad o tamaño de la huella que se obtenga de esta aplicación de fuerza es como sabremos el grado de dureza del material. Así se puede conocer la resistencia al corte de la superficie que tiene el material analizado y se utilizan diferentes tipos de durómetros, entre los que encontramos los que se explicaron más arriba. Usos y aplicaciones del durómetro El uso más común del durómetro en la industria farmacéutica es la medición de la resistencia y dureza de pastillas y cápsulas para verificar que puedan resistir el proceso de producción, empaque, distribución y venta, también para asegurarse de que la dureza del medicamento permita su desintegración dentro del cuerpo o que sea fácil de masticar.

En industrias como la de la construcción y la del metal se trata de medir la dureza y resistencia de los materiales con los que se ha de construir para garantizar que cumplen con determinados estándares de seguridad y calidad.

c) Describa un equipo para evaluar la fractura TENACIDAD Y PRUEBAS DE IMPACTO La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturar. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse. Esta propiedad se valora mediante una prueba sencilla en una máquina de ensayos de impacto. Hay dos métodos diferentes para evaluar esta propiedad. Se denominan ensayos de Charpy y ensayo de Izod. La diferencia entre los dos radica en la forma como se posiciona la muestra. La probeta que se utiliza para ambos ensayos es una barra de sección transversal cuadrada dentro de la cual se ha realizado una talla en forma de V. Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo Charpy y de forma vertical en el ensayo tipo Izod. Se lanza un pesado péndulo desde una altura h conocida, este péndulo golpea la muestra al descender y la fractura. Si se conoce la masa del péndulo y la diferencia entre la altura final e inicial, se puede calcular la energía absorbida por la fractura. El ensayo de impacto genera datos útiles cuantitativos en cuanto a la resistencia del material al impacto. Sin embargo, no proporcionan datos adecuados para el diseño de secciones de materiales que contengan grietas o defectos. Este tipo de datos se obtiene desde la disciplina de la Mecánica de la Fractura, en la cual se realizan estudios teóricos y experimentales de la fractura de materiales estructurales que contienen grietas o defectos preexistentes.

Ensayo de tenacidad. La fractura de un material comienza en el lugar donde la concentración de tensión es lo más grande posible, como lo es la punta de una grieta. Supóngase una muestra de forma de placa bajo tensión uniaxial que contiene una grieta en el borde o en su interior. La tensión en la grieta es mayor en la punta de la grieta.

La intensidad de la tensión en la punta de la grieta es dependiente tanto de la tensión Aplicada como de la longitud de la grieta. Tenacidad de Materiales Ingenieriles

d) Describa el durefactometro utilizado en la carrera y que opinión merece Tiene el principio de conservación de energía de un péndulo. Consta de un martillo de forma rectangular y de peso de 34.500 kilogramos. Un durómetro para medir la dureza por penetración consta de una punta de carburo de tungsteno, Tiene un armazón de que le sostiene de angulares. Tiene una prensa en la parte inferior para sostener la probeta hacer fracturada, Tiene un reloj que nos indica el Angulo para saber la energía absorbida por le probeta. Está provisto de soportes para resistir el peso del martillo. El durefactometro de la carrera debe ser limpiado, después de cada uso que se le da y ubicado en un lugar más cómodo porque es incómodo para el estudiante que observa las pruebas hechas en ella.

e) Determinar la dureza y resiliencia de las 3 probetas sin tratamiento térmico. Material Acero liso Acero de construcción Muelle

Diámetro 3.91 mm 3.47mm 2.83mm

% de carbono 0.2 0.37 4 -6

Material

Ɵ(absorción)

Ɵ(llegada)

acero liso

41º

20º

Acero de construcción Muelle

18°

31º

85º

45º

90º-5º= 85º

Material acero liso acero de construcción Muelle

Diámetro (mm) 10.13 8.92 a= 5.57 l=32.41

Área(𝑨 = 𝝅𝒓𝟐 )

A) MUELLE Datos:      

𝑝 = 34.5 𝑘𝑔 𝐿 = 32.41𝑚𝑚 𝑏 = 10.50 𝑚𝑚 ℎ = 4.56 𝑚𝑚 𝑑 = 2.83 𝑚𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑠 = 85°

Solución: Hallando dureza Guibaru: 𝐵=

𝑝 𝑠

34.5𝑘𝑔

=𝜋 4

∗2.832

= 𝟓. 𝟒𝟖 𝒌𝒈/𝒎𝒎𝟐

Hallando resiliencia: 𝑠 = 𝐿𝑥ℎ=32.41𝑚𝑚 𝑋 5.77 𝑚𝑚 = 187.00𝑚𝑚2 = 1.87 𝑐𝑚2 10°----------0.15 m

X=1.27 m

85°----------X 

𝑊 = 𝑝𝑥ℎ = 34.5 𝑘𝑔𝑋1.27 𝑚 = 43.81 𝑘𝑔. 𝑚

𝑅=

𝑊 𝑆

= 43.81 𝑘𝑔. 𝑚 /1.87 𝑐𝑚2 = 23.42 kg.m/𝑚2

B) ACERO DE CONSTRUCCIÓN Datos:    

𝑝 = 34.5 𝑘𝑔 𝑑 = 8.92 𝑚𝑚 (Diámetro fracturado) , entonces r =4.46 mm 𝑑 = 3.47 𝑚𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑠 = 18°

Solución: Hallando dureza: 𝐵=

𝑝 𝑠

34.5𝑘𝑔

=𝜋 4

∗3.472

= 3.64 𝑘𝑔/𝑚𝑚2

Hallando resiliencia: 𝑠 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋 ∗ (4.46mm)2 = 62.49𝑚𝑚2 = 0.62𝑐𝑚2

10°----------0.15 m

X=0.27m

18°----------X



𝑊 = 𝑝𝑥ℎ = 34.5 𝑘𝑔𝑋0.27 𝑚 = 9.31 𝑘𝑔. 𝑚

𝑅=

𝑊 𝑆

= 9.31 𝑘𝑔. 𝑚 /0.62 𝑐𝑚2 = 15.02kg.m/c𝑚2

C) ACERO LISO Datos:    

𝑝 = 34.5 𝑘𝑔 𝑑 = 10.13𝑚𝑚 , entonces r =5.06mm 𝑑 = 3.91𝑚𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑠 = 41°

Solución: Hallando dureza 𝐵=

𝑝 𝑠

34.5𝑘𝑔

=𝜋 4

∗3.912

= 2.87 𝑘𝑔/𝑚𝑚2

Hallando resiliencia: 𝑠 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋 ∗ (5.06mm)2 = 80.43 𝑚𝑚2 = 0.80𝑐𝑚2

10°----------0.15 m

X=0.61 m

41°----------X



𝑊 = 𝑝𝑥ℎ = 34.5 𝑘𝑔𝑋0.61𝑚 = 21.04𝑘𝑔 𝑚

𝑅=

𝑊 𝑆

= 21.04𝑘𝑔. 𝑚 /0.80𝑐𝑚2 = 26.3kg.m/𝑐𝑚2

f) De los valores obtenidos que puede usted deducir. PROBETA Muelle Acero corrugado Acero liso

DUREZA EN

𝒌𝒈⁄ 𝒎𝒎𝟐

5.48 3.64 2.87

RESILENCIA EN 𝒌𝒈. 𝒎⁄ 𝒄𝒎𝟐 23.42 15.02 26.3

El muelle es el más duro de los materiales empleados en la práctica pero de baja resiliencia por lo que ha absorbido menos grados vistos en el durefractometro. Los demás materiales tienen similares durezas, pero el acero inoxidable posee menor resiliencia debido a que en su composición está bajo de C, y no es igual que el fierro liso. Puede que los errores de estos resultados se hayan dado por:  La punta del carburo de tungsteno (WC) sea irregular dejando una huella que no sea circular, por lo que su área resulte difícil de calcular.  La altura de caída no esté en la medida relativamente precisa.  La comba no tenga el peso de 34.5 Kg sino algo menor a eso.

6. CONCLUSIONES y SUGERENCIAS



A mayor dureza existe menor tenacidad.



El mulle tiene mayor dureza luego le sigue el acero de construcción y finalmente el acero liso y con respecto a la tenacidad es todo lo contrario más tenaz, acero liso luego acero de construcción y finalmente el muelle.



El acero corrugado tiene buena tenacidad, esta adicionado de ferroaleaciones, posee un grano ligeramente más grueso que el fierro liso.



El mayor porcentaje de carbono afecta mucho en la dureza, por ello el muelle tiene mayor porcentaje de carbono y el acero liso tiene menor contenido de carbono en su estructura.

7. BIBLIOGRAFÍA  https://es.scribd.com/doc/99018034/Ensayo-Charpy-Izod  http://www.monografias.com/trabajos46/fracturasmecanicas/fracturas-mecanicas2.shtml  https://es.wikipedia.org/wiki/Resiliencia_(ingeniería)  www.construmatica.com/construpedia/Resiliencia  https://cadcamcae.wordpress.com/2008/01/14/la-resiliencia/  www.inoxidable.com/dureza.htm  https://www.buehler.com/Spanish/history-of-hardness.php