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ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA ENSAYO DE DUREZA INFORME Nº1

Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C

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ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C

ÍNDICE

OBJETIVOS……………………………………………………………………....4 DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS…………………..5 Equipo Rockwell:………………………………………………………………….5 Durómetro Vickers:…………………………………………………………….…5 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO………………………………………6 Método Rockwell (HRF):………………………………………………………… Durómetro Vickers:………………………………………………………………. DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO…………………………………8 En el Equipo Rockwell:………………………………………………………….. CÁLCULOS Y RESULTADOS……………………………………………………9 En el Método Rockwell:…………………………………………………………. OBSERVACIONES……………………………………………………………….10 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………………..11 CUESTIONARIO………………………………………………………………….12 ANEXOS…………………………………………………………………………...14 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………19

3

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C OBJETIVOS •

Diferenciar los tipos de ensayos de Dureza.

•

Conocer y aplicar las normas que establece la Norma Técnica Peruana.

•

Aprender de forma práctica 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 más importantes.

•

Definir el término dureza y la forma de determinarla.

•

Determinar, y definir los materiales empleados en el ensayo, en la medición de la dureza.

•

Saber elegir los materiales para el cual un determinado durómetro funciona mejor.

4

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DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Equipo Rockwell:  Marca: Wilson.  Se utilizó 4 probetas lisas de ½ pulgada.  Se utilizó 2 cargas: 60kg y 100 kg.  Usa 4 yunques diferentes.

Durómetro Rockwell del Laboratorio 4 de la FIM. Durómetro Universal:  Marca: Zwick 3106.  Se utilizó 5 probetas lisas de ½ pulgada.  Se utilizó 2 cargas: 60kg y 100kg.

Durómetro digital Universal del Instituto de Motores (FIM).

5

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DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO Método Rockwell (HRF): 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 aplicación de la carga inicial, la sobrecarga y el retiro de esta última en forma lenta y uniforme, sin vibraciones ni choques. Asimismo, el penetrador debe presentar una dureza Vickers mayor a tolerancia de

y un diámetro nominal de

con una

. Esta, además, debe ser pulida, exenta de grietas y

todo defecto superficial. 2. Una vez verificada la conformidad del equipo procedemos a colocar el espécimen en una superficie plana y rígida a fin de que apoye perfectamente y no sufra desplazamiento durante el ensayo. Las superficies en contacto deben estar limpias y exentas de materias extrañas. 3. El penetrador debe ponerse en contacto con la superficie del espécimen perpendicular a él. Posteriormente, sin choque y con sumo cuidado se debe aplicar la carga inicial de

, que produce una penetración inicial

.

Alcanzada esta carga se ajusta el aparato haciendo coincidir la aguja indicadora con el origen de las lecturas. Por último, aplicamos la sobrecarga de lentamente en un lapso de 3 a 6 segundos que logra una penetración máxima . 4. Después de retirar la sobrecarga realizamos la lectura en el equipo, de donde deduciremos la Dureza Rockwell del espécimen. 6

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Figura 5. Detalle de la incidencia del penetrador en las tres fases. Metodo Brinell: 1. Para obtener la dureza Brinell de la superficie de un material se presiona contra la probeta una bola de acero con determinado diámetro D. 2. La bola se mantiene algún tiempo bajo la carga P . Luego de retirada la carga se miden dos diámetros, en direcciones mutuamente perpendiculares, de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. 3. 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. 4. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más.

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ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C Método Vickers: 1. El ensayo se efectúa generalmente a una temperatura ambiente (entre 10°C ± 35°C).

Cuando se requieran "condiciones controladas" de temperatura, el

ensayo se efectuará a 23 ± 5°C, salvo indicación expresa en la norma del producto. 2. Deben utilizarse las cargas de ensayo indicadas(100g, 200g,500 y 1000g) 3. La probeta debe colocarse sobre un soporte rígido. Las superficies de contacto deben estar limpias y exentas de cuerpos extraños (óxido, aceite, suciedad, etc.). Es importante que la probeta se mantenga sólidamente sobre el soporte de forma que no exista desplazamiento durante el ensayo. 4. El penetrador se pone en contacto con la superficie de ensayo y se aplica la carga perpendicularmente a la superficie, sin choques ni vibraciones, hasta alcanzar el valor especificado. El tiempo transcurrido entre el comienzo de aplicación de la carga y la carga total, debe estar comprendido entre 2 y 8 s. Esta carga se debe mantener de 10 a 15 s. Para aquellos materiales en que se especifique un tiempo mayor de mantenimiento de la carga, ésta deberá respetarse con una tolerancia de ± 2 s. 5. Durante el ensayo, los aparatos deben protegerse contra los choques y las vibraciones. 6. La distancia del centro de la huella al borde de la probeta debe ser mayor o igual a 2,5 veces la diagonal media de la huella en el caso del acero, cobre y sus aleaciones, y mayor o igual a 3 veces la diagonal media de la huella en el caso de metales ligeros, plomo, estaño y sus aleaciones. DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO En el Equipo Rockwell: Escala Material

Carga

1°

2°

3°

(kg)

8

Indentor

Dureza

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Aluminio Cobre Bronce SAE 1010 SAE 1045

E E E E E

100 100 100 100 100

111 37 92 70 97

112 37 90 72 97

111 35 92 74 97

Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16”

111.3 36.3 91.3 72 97

CÁLCULOS Y RESULTADOS En el Método Rockwell: La medición es directa por cuanto la escala Rockwell F aparece con números rojos en la parte frontal del durómetro, que hacen referencia al indentor en bola que empleamos con el durómetro Rockwell de marca Wilson. Resultados •

El ensayo Rockwell se realizó a una temperatura aproximada de 19°C

•

Se realizó 3 mediciones para cada tipo de material

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Material

EscalA

Carga (kg)

Indentor

Dureza

Aluminio Cobre Bronce SAE 1010 SAE 1045

E E E E E

100 100 100 100 100

Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16” Bola 1/16”

111.3 37.3 91.3 72 97

OBSERVACIONES  Observamos que la máquina sólo calcula las cargas verticales.

 Observamos que el óxido también influye bastante en el resultado de nuestra ensayo, así como también el de tener en cuenta que cada probeta por más de ser del mismo elemento, no tiene que tener la misma dureza, esto implica el tipo de tratamiento que se le dio a la probeta para su comercialización.

10

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C  Observamos que el resultado de nuestro ensayo depende mucho de que la probeta cumpla con las medidas necesarias para su medición.

 Observamos que el error en la medición varía de acuerdo a la distancia que dejamos en cada nuevo ensayo en la misma probeta.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES



En el ensayo Brinell se mide la superficie de la huella, por lo que es correcto en materiales de perfil grueso donde las huellas obtenidas son nítidas y de contornos delimitados. No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor, se cometen grandes errores en la medida cuando la deformación es pequeña. Tiene más limitaciones que los demás métodos.

11

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C 

En el ensayo Vickers también se mide la superficie de la huella, se puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella, los espesores de los materiales pueden ser mucho más pequeños que en los del ensayo Brinell. Los ensayos Brinell y Vickers dan resultados muy parecidos hasta un valor aproximado de 300, a partir de aquí la dureza Vickers es superior a la Brinell, puesto que la deformación de la bola falsea los resultados.



El ensayo Rockwell se diferencia de los anteriores en que la medida de su dureza se hace dependiendo de la profundidad de la huella y no de su superficie, es un ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que el Brinell y el Vickers. Es válido para ensayos en materiales duros y blandos.



El materia al cual se va hacer la medición de dureza debe estar previamente tratado (sus bases tiene que ser paralelas entre sí, deben de estar bien pulidas libre



de

cualquier

fisura).

Debemos tener cuidado en el uso o manipulación de los equipos que vamos a utilizar, preocupar no golpearlos, no ensuciarlos, no manipularlos sin saber cómo funciona.

CUESTIONARIO 

Mencione tres aplicaciones del ensayo de microdureza •

Pequeñas piezas que son difíciles de medir con otro durómetros

•

Medida de micro-constituyentes y /o fases

•

Medida de superficie tratadas térmicamente tales como capas endurecidas o nitruradas 12

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¿Se puede medir la dureza en una superficie curva con el Método Rockwell? •

Si se puede medir en superficies curvas con las condiciones que se menciona en la siguiente pregunta del cuestionario



¿Qué condiciones debe cumplir la superficie cuando se realiza una medición de dureza Rockwell? ¿Y en el caso Vickers? En el ensayo Rockwell la superficie a ensayar debe cumplir lo siguiente: Superficie: La superficie de ensayo debe ser plana, pulida y exenta de óxido y materias extrañas. La preparación debe realizarse sin alterar las condiciones primitivas del

material , evitando un calentamiento apreciable o su

endurecimiento superficial Radio de curvatura :En casos especiales se admitirá el ensayo sobre superficies curvas ,cuyo radio sea inferior a 25 mm. Espesor del espécimen: El espesor del espécimen, no debe ser menor que 8e(incremento de penetración). Sobre la cara opuesta a la superficie ensayada no debe aparecer deformación alguna después de efectuado el ensayo Para el ensayo vickers la superficie a ensayar debe cumplir lo siguiente: Superficie; La superficie de ensayo debe estar completamente pulida y exenta de cualquier impureza. Además es imperativo que se mantenga a un nivel horizontal (paralela) a la base del microscopio.



¿Según la norma peruana cuál debe ser la separación entre huellas para el caso Rockwell, y según la norma ASTM, de cuánto debe ser? 13

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Según la norma peruana la separación entre huellas vecinas o desde el centro de una de ellas al borde del espécimen, debe ser por lo menos igual a 3mm, salvo especificación contraria. Según la norma ASTM también dice que no debe ser menor a 3 mm



¿Cuál será la penetración de la bola cuando se tiene una dureza de 70 HRb? HR=130- h/0.002 70=130-h/0.002 h=0.12mm

ANEXOS DUREZA ROCKWELL La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más 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 utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o 14

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros. El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material. Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería 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 información orientativa sobre qué escala usar para no dañar la máquina o el penetrador, que suele ser muy caro.

Escalas de dureza Rockwell Símbolo

Penetrador

Carga

Aplicaciones

de

mayor

la Escala A

(kg) 60

Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy

Diamante

B

Esfera de 1/16

100

duros. Chapas duras y delgadas. Aceros recocidos y normalizados.

C

pulgada Diamante

150

Aceros tratados térmicamente. 15

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C D E

Diamante Esfera de 1/8

100 100

Aceros cementados. Metales blandos y antifricción.

F

pulgada Esfera de 1/16

60

Bronce recocido.

G

pulgada Esfera de 1/16

150

Bronce fosforoso y otros materiales.

H

pulgada Esfera de 1/8

60

Metales blandos con poca homogeneidad,

pulgada K

Esfera de 1/8

fundiciones con base hierro. 150

Aplicaciones análogas al tipo anterior.

pulgada Nomenclatura: Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente fórmula: Dónde: • n es la carga aplicada en kg • HR es el identificador del ensayo Rockwell • letra va a continuación 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 sería:

DUREZA BRINELL Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más 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 diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de

16

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C 3.000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión:

Dónde: -

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: Diámetro de la bola (indentor) medida en [mm].

Este ensayo sólo es válido 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 válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

Fórmula aplicada Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuación:

Dónde: -

P

: Carga a utilizar medida en kilogramos fuerza.

-

D

: Diámetro de la bola (indentor) medida en (mm).

-

d

: Diámetro de la huella en superficie en (mm).

Valores típicos El valor HB suele ser menor que 600. 17

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C • 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 VICKERS El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo 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, además, puede usarse en superficies no planas. Sirve para medir todo tipo de dureza, y espesores pequeños. (Aunque si el material es muy blando, se usa el método de Brinell). Se emplea para láminas delgadas de hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la máquina. Fórmula aplicada

Dónde: -

P

: Carga a utilizar en kilogramos fuerza.

-

d

: diámetro de la huella.

Condiciones de ensayo: 1.

La superficie de la probeta debe ser pulida, plana; estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2.

s = 1,5 d (s= espesor de la probeta).

3.

Distancia entre centros de 2 huellas = (3-6) d. 18

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C 4.

Distancia del centro de la huella al borde = 2,5-3) d.

5.

Temperatura de ensayo =

6.

En probetas cilíndricas, P debe ser tan pequeña que f < 0,01 mm. d mm. ; d> 0,5 mm.

d

0,001

0,01 mm (f : profundidad de la huella).

DUREZA SHORE Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide por esa razón solo se utiliza para materiales duros o muy duros, no es recomendado para materiales blandos. La práctica se realiza en un "esclerómetro" 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 caída es de 254 mm y la escala está dividida en 140 divisiones. Condiciones de ensayo: 1.

Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerómetro.

2.

Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque).

BIBLIOGRAFÍA  Tecnologías de los Materiales Industriales. Lasheras, Esteban. Pág. 193-203  Tratamiento Térmico de los Aceros. Apraiz, J.  Técnicas de Laboratorio para pruebas de Materiales (Keyser, Carl. LimusaWiley). 19

ENSAYO DE DUREZA Laboratorio de Ciencia de los Materiales – MC112 – C  Pruebas Mecánicas y Propiedades de los Metales (Zolotorevski, V. Editorial Mir).  The testing and Inspection of Engineering Materials (Troxell).  Normas ASTM. Normas NTP

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