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Universidad tecnológica de Panamá Facultad de ingeniería Mecánica Licenciatura en Ingeniería Naval Laboratorio de Ciencias de los Materiales I Asignación #3 Dureza de Brinell Estudiante: Gálvez Yackeline 2-732-1732 Hibbert Sonny 4-776-718 Illueca Gloria 8-886-2065 Jaén Maryorie 8-892-2331 Sousa Kevin 8-874- 1134 Instructor: Antonio Huang Feng Profesor: Jovanny Díaz Grupo: 1NI 131 (A) Fecha de Entrega: 18 de Mayo del 2015

Introducción La dureza de Brinell es un ensayo mecánico propuesto por el sueco J.A. Brinell en 1900. Es el ensayo de dureza más ordinario y consiste en una prensa hidráulica de operación manual diseñada para imprimir un identador sobre la superficie de la probeta analizada; la presión se mide por un manómetro y se aplica por medio de una bomba de aceite, la pieza de ensayo se coloca en soporte que puede subir o bajar mediante un tornillo. Para materiales duros se aplica una carga de 3000 Kg y para materiales suaves se emplean una carga de 500 Kg. El tiempo de aplicación de la fuerza es de 10-30 seg. Dependiendo de la aleación examinada; después se quita la carga y se mide el diámetro de la impresión en la probeta con un microscopio o lente especial con un rastreador láser para lectura automática. Los diferentes métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir una deformación local, en el material que se ensaya, a través de un identador. Los valores obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones en las que se ensaya por lo que para que un valor de dureza sea útil y permita su comparación debe estar acompañado de la indicación del método utilizado y las condiciones del ensayo. En general se mide dureza cuando se ha establecido una correlación entre la dureza y alguna otra propiedad del material, como por ejemplo la resistencia a la abrasión o al desgaste, la resistencia a la tracción, etc. Sin embargo debe advertirse que dichas correlaciones son aplicables en forma muy cuidadosa sobre un rango acotado de materiales sobre los cuales se conoce, empíricamente, las condiciones en que se cumple la relación entre la propiedad buscada y el valor de la dureza.

Ensayo de Dureza Brinell Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material que resiste la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales (indentador ó penetrador) de determinada forma y dimensiones. Un análisis de la definición anterior nos lleva a suponer que la dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material pero no del material en sí; los métodos de dureza por indentación presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, por lo tanto la dureza puede ser cuantificada como tal; y el indentador o penetrador no debe sufrir deformaciones residuales.

El estándar ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola endurecida, bajo condiciones específicas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga. La prueba de dureza por penetración usando maquinas calibradas que ejercen una fuerza a un balín endurecido, bajo condiciones especificadas, sobre la superficie del material bajo prueba y midiéndose el diámetro de la huella resultante después de suprimir la carga. 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 indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros, para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno y en el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. 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 ecuación donde o Carga a utilizar medida en [kp]. o Diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. o Diámetro de la huella en superficie en [mm].

La deducción de la fórmula de cálculo del área A del casquete esférico es: 

El área del casquete esférico es:

Debido a la dificultad para la medición de h (profundidad de indentación), debemos expresarla en función de los diámetros de la bola D y de la huella d. Ahora aplicando el teorema de Pitágoras:

Se debe tomar sólo la solución con signo negativo debido a que es imposible obtener un

.

Y cuando sustituyendo se obtiene un área de:

Al final la ecuación quedara:

El método estándar como tal se realiza bajo un diámetro de 10 mm (Bola), y la carga (P=3000kgf) y la duración de la carga es de 10 s a 15 s. En el caso de realizarse el ensayo bajo estas condiciones el número de dureza Brinell se denota sin ningún sufijo. Ejemplo: 220 HB. Esta notación indica una dureza Brinell de 220 bajo las condiciones estándar arriba nombradas. Si por alguna razón no pueden aplicarse las condiciones estándar es posible aplicar cargas menores y utilizar indentadores esféricos de diámetros menores (estas mediciones no se consideran como estándar). En este caso la obtención de resultados comparables de los ensayos exige la observación del criterio de semejanza que para el caso dado corresponde a

la constancia de la relación de la carga respecto al cuadrado del diámetro de la bola (obsérvese la fórmula de dureza), es decir:

Los Valores típicos son: El 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: 550 HB

Esquema de una medición de este tipo de dureza Dureza Tipo de Ensayo Diámetro de la bola Fuerza aplicada Tiempo del Ensayo Ejemplo: 250 HB (10, 500, 30) Donde las unidades son: (Kp/mm2) HB ((mm), (Kp), (segundos))

Aparatos y equipo 

Máquina de Prueba

El equipo para la prueba de dureza Brinell generalmente consiste de una máquina que soporta la probeta y aplica una carga predeterminada sobre un balín que está en contacto con la probeta. La magnitud de la carga está limitada dentro de ciertos valores. El diseño de la máquina de prueba debe ser tal que no permita un movimiento lateral del balín o de la probeta mientras se está aplicando la carga. Para los ensayos Brinell se usa el escleroscopio HP-250 marca Wekstoffprüfmaschinen. Este aparato sirve para la medición tanto de dureza Brinell como Vickers. Aplica cargas hasta de 250 kgf. Posee incorporado un microscopio de medición, el cual posee una resolución de 0,001mm.

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Probetas

El estándar ASTM E 10 presenta las siguientes exigencias a las probetas usadas para la medición de la dureza Brinell: Para evitar que el efecto de la indentación aparezca en el lado opuesto de la probeta, el espesor de ésta debe ser al menos 10 veces más que la profundidad de la indentación. Cuando sea necesario la superficie debe lijada y pulida de manera que se observen con claridad los bordes de la huella en el momento de la medición con la precisión necesaria. Se debe tener cuidado de no sobrecalentar la superficie en los procesos de pulimento. 

Indentadores

La bola estándar para el ensayo de dureza Brinell debe tener 10 mm de diámetro con una desviación no mayor de 0,005 en cualquiera de los diámetros. Las bolas más pequeñas tienen diámetros y tolerancias como se muestra en la siguiente tabla. Diámetro de la bola [mm] desde 1 a 3 incluido más de 3 hasta 6 incluido más de 6 hasta 10 incluido

Tolerancia [mm] ± 0,0035 ± 0,004 ±0,0045

Las bolas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850 y pueden ser usadas para medir dureza HB de no más de 450, deben estar excelentemente pulidas y libres de defectos. Además de que no deben sufrir deformaciones residuales más altas que las indicadas en la tabla. 

Penetradores

Como penetrador normal del método Brinell puede considerarse la bolilla de 10 mm de acero muy duro HB = 630 pudiendo emplearse, en probetas de menor espesor, penetradores de 5 y 2.5 mm, aceptándose en cualquier caso una tolerancia de ±0,005D. También se emplean penetradores de 1,25 y 0,625 mm de carburo de tungsteno que permiten ensayar materiales más duros, aunque los ensayos no son comparables con los realizados con los otros tipos de bolillas. Existen diversos criterios para determinar la bolilla a utilizar en un ensayo. Las normas IRAM especifican que en ningún caso se ensayarán probetas cuyo espesor e sea menor que el diámetro del penetrador D, mientras que las ASTM indican que e no debe ser menor de 10 veces la profundidad de penetración. La norma ASTM especifica la dureza mínima requerida para satisfacer la condición e donde es el espesor de la probeta.

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Microscopio de Medición

Las divisiones de la escala micrométrica del microscopio o de otros dispositivos de medición que se usen para medir el diámetro de la huella, deben permitir una medición directa en décimas de milímetro con una aproximación hasta 0.02 mm. Este requisito se aplica únicamente al diseño del microscopio y no es un requisito para la medición de la huella.

Alcance y aplicabilidad del método Brinell Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros (de carburos metálicos). A partir de estos valores de dureza la deformación en el penetrador comienza a ser importante, y esta debe ser menor de ±0,005D. Por esta razón el empleo de este método está limitado a una dureza máxima de HB = 600. De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es recomendable determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers. Por último es claro que el método no es aplicable a piezas de espesor delgado ya que la penetración usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es aplicable a superficies cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de penetración puede ser mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la superficie. Es un método conveniente en materiales poco homogéneos tales como las fundiciones materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el tamaño de la impronta permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Además si se utiliza la profundidad h de la impronta para la determinación de la dureza, la superficie a ensayar no requiere demasiada preparación. Como regla general: cuanto mayor es la huella menor es el requerimiento de preparación superficial. De manera general se puede utilizar la medición de dureza para:    

Evaluar la efectividad de un tratamiento térmico. Evaluar la resistencia al desgaste de un material Evaluar la maquinabilidad del material. Obtener una idea de la resistencia a la tracción de un material

Conclusiones 

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Se puede concluir que para el ensayo de dureza de brinell el diámetro de la huella hecha por el balín depende de la dureza del material, es decir a mayor diámetro de la huella la dureza es menor y a menor diámetro de la huella la dureza es mayor. Las caras de la probeta deben ser lo más planas y paralelas posible; deben estar pulidas y durante su preparación se debe evitar cualquier tipo de calentamiento que pueda introducir tensiones. La carga debe actuar en forma normal a la cara de la probeta, la cual no deberá moverse durante el ensayo.

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Luego del ensayo no deben quedar marcas en la cara opuesta de la probeta. Si la pieza a ensayar presenta una superficie curva la impresión no será circular, por esta razón el radio de curvatura no debe ser inferior a los 25 mm y el diámetro d puede tomarse como el promedio de mediciones en varias direcciones. Si las propiedades de una probeta plana no son uniformes debido a la dirección de rolado o la a los esfuerzos inducidos por el enfriamiento, resultará una huella no circular, en este caso el valor de dureza Brinell puede obtenerse a partir del diámetro d que resulta del promedio de 4 mediciones a 45º.

Infografía  http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/DurezaHB.htm  http://190.105.160.51/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf  http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_Brinell