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Practica de dureza Brinell Ensaye De Materiales (Instituto Politécnico Nacional)

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OBJETIVO Realizar la prueba de ensaye Brinell de acuerdo la norma NMX-B-116-1998 en un material cualquiera para así identificar la dureza de dicho material. Obteniendo y comparando la dureza de nuestro material calculada y la dureza tabulada normalizada en dicho material, además de obtener tipo de material y/o tratamiento que tuvo este y su porcentaje de carbono.

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INTRODUCCIÓN DUERZA. Cualidad de la materia que tiene que ver con la solidez y firmeza del material. Es la propiedad que tienen los materiales de resistirse a ser rayados o penetrados. Esta propiedad no constituye una característica específica de los materiales sino

que está íntimamente ligada con las propiedades elásticas y plásticas. DUREZA POR PENETRACIÓN. Es el más empleado en la industria actualmente y se basa en la medición de una huella que produce un penetrador al incidir sobre la superficie de un material bajo una carga determinada. Estos ensayos son Brinell, Rockwell, Vickers y KNOOP BRINELL. Este método fue creado por el ingeniero Juan Augusto Brinell en 1900. Consiste fundamentalmente en oprimir una esfera de acero endurecido contra una probeta manteniendo la carga durante un tiempo determinado, de acuerdo con la norma Mexicana: NMX-B-116-1996-SCFI.- Industria siderúrgica.- Determinación de la dureza Brinell en materiales metálicos métodos de prueba (ASTM-B-140-1998). La norma nos indica que para una prueba estándar, se debe de usar una esfera de 10mm de diámetro con una carga de 3000kg, para metales duros y un tiempo de aplicación de 10 a 15 segundos. Así mismo la norma considera otros materiales regulando aplicar 1500kg para metales de dureza intermedia y 500kg. Para metales más suaves. La carga “P” nunca debe exceder a 3000kg. Esta se usará para materiales duros (Acero); la de 1500kg. Para materiales de dureza intermedia (cobre); la de 500kg, para materiales suaves (magnesio). La norma nos indica hacer cinco ensayos distribuidos al azar. A.- Materiales Duros (acero y hierro) de 10 a 15 segundos como mínimo 3000kg B.- Materiales semiduros (metales no ferrosos) de 30 a 45 segundos. 1500kg. Cobre, bronce. C.-Materiales suaves (magnesio y aluminio) de 120 a 180 segundos. 500kg.

El penetrador es de carburo y tungsteno (Carburo de tungsteno) en tres diámetros 10, 5, 2.5 mm.

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La fórmula de la norma indicada es: 𝐷𝐵 = En donde:

2𝑃

𝜋𝐷(𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 )

𝐷𝐵 =

𝑃

𝜋𝐷(𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 ) 2

P: Carga en KgF D: Diámetro del penetrador en mm. d: Diámetro de la huella en mm. 𝐷𝐵 =

En donde:

𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑃 = 𝑘𝑔/𝑚𝑚2 𝐴 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎 (𝑐𝑎𝑠𝑞𝑢𝑒𝑡𝑒)

A: Área del casquete en mm. A= 𝜋DH=𝑚𝑚2

H= Profundidad de la huella 𝐻=

𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 𝑃 (𝑚𝑚) ∴ 𝐷 = 2 𝜋𝐷𝐻

El numero de dureza Brinell es adimensional, pero para efectos de calculo se le dan unidades. Nomenclatura según normas: __________________DB en donde tenemos: Ciametro del balín: 10mm Carga: 3000kg Duración: 10-15seg Si se desea efectuar un ensayo NO NORMALIZADOS tienes que indicar los datos siguientes de acuerdo con la norma. _____DB

_____________ Diámetro del balín

__________ carga

___________ tiempo

La norma considera Dureza Brinell especial (Ley de Batsón y Becker). En la industria es común el uso de penetradores de 5 y 2.5mm de diámetro los cuales según la norma NMX-B-116-1996, el numero obtenido tiene una correspondencia a los números de dureza tabulados.

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Estos penetradores se pueden usar cuando las probetas son muy pequeñas o delgadas. Para estos ensayos que no son especiales la relación entre la carga y el diámetro del penetrador debe ser: -

Para hierro y acero P= 30 D² Para aluminio, bronce y latón. P = 15 D² Para materiales sumamente suaves P= 5 D²

Los resultados de estos ensayos corresponden a los que se obtuvieron con un penetrador de 10mm, de diámetro, siempre y cuando la relación de la carga con respecto al cuadro del diámetro de la bola (penetrador) permanece constante. La interpretación de las cifras de dureza es importante porque queda implícita en todas las propiedades mecánicas del material. Esfuerzo a la tesion.- Para calcular el esfuerzo a la tensión de brinnel se utiliza

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MATERIAL Y EQUIPO Microscopio de Taller. Probeta (Material ferroso). Máquina de dureza Brinell Penetrador; Balín 10mm

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PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE DUREZA BRINELL 1. Seleccionar el material “que en la industria es muestreo de material”. 2. Verificar que no tenga defectos superficiales, o golpes, enterradoras de herramienta (ralladuras de la probeta, oxidaciones, corrosiones, grasas o aceites) 3. Seleccionar la carga, penetrador y tiempo. 4. Montaje del penetrador en el husillo porta herramientas. 5. Montaje de la escala o rango de cargas en la caratula de la máquina. 6. Colocar el péndulo en el orificio correspondiente a la escala seleccionada (con el contrapeso o sin el contrapeso). 7. Seleccionar la mesa adecuada según la forma de la pieza. 8. Montar la probeta en la mesa de trabajo o yunque. 9. Formar la cámara hidráulica o colchón de aceite con un peso de 50 kg de inicio a) Verificar que la válvula de descarga este abierta y la de carga cerrada. b) Poner a trabajar el motor y cerrar la válvula de descarga. c) Abrir la válvula de carga hasta que el émbolo se eleve un centímetro aproximadamente y se presente un ligero contacto. Una vez transcurrido el centímetro, cerrar la válvula de carga. d) Verificar que la manecilla primaria este en cero, si no estuviera en cero se tiene que ajustar con el tornillo y tuerca de nivelación. 10. Comenzar el ensayo haciendo contacto el penetrador con la pieza y aplicar una carga inicial de 10 a15kg. 11. Abrir la válvula de carga gradualmente hasta llegar a la carga final y mantener la carga durante 10 a15 segundos si el material es duro. Si el material es suave se mantiene de 30 segundos a tres minutos. 12. Abrir la válvula de descarga. 13. Extraer la pieza o probeta y medir el diámetro de la huella con el microscopio de Taller. 14. Calcular la dureza (formula) 15. Determinar la dureza tubularmente. 16. Verificar porcentaje de error. 17. Determinar el tipo de material en las tablas

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LABROTAORIO DE CIENCIAS DE LOS MATERIALES Presidente de Academia Ing. J. Manuel Dávila PROCEDIMIENTO PARA UN Campos ENSAYO DE DUREZA BRINELL (NORMAL) González Ávila Eleazar Monroy Hernández Fabiola Pedraza Flor Elisa Ramos Alvarado F. Rocío

Ing. J. Ruben Aguilar S. Ing. Octavio Arzave B.

GRUPO:

3M4M

Julio- Diciembre 1998

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Paso 1. Se coloca la probeta sobre la mesa de trabajo o yunque.

Paso 2. Girar el volante elevando la mesa de trabajo hasta que haga contacto la probeta con el penetrador. Paso 3. Se cierra la válvula de descarga. Paso 4. Con la palanca, se inicia el incremento de carga, la cual puede ser de 500kgf, 1500kgf o 3000kgf. El tiempo de aplicación depende del material que se esté probando. Como se muestra en la tabla.

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En nuestro caso fue un material ferroso. MATERIAL

CARGA (kgf)

Ferroso

3000

DIAMETRO BALIN (mm) 10

DEL TIEMPO (segundos)

Intermedio

1500

10

30-45

No ferroso

500

10

120-180

10-15

Paso 5. Gire el volante en el sentido contrario al de las manecillas del reloj, retire la probeta y con el microscopio de 20 X, proceda a medir el diámetro de la huella.

Este procedimiento (Paso 4 y 5) se repite de 3 veces a 5 veces, con el fin de sacar un promedio del diámetro de huella.

Paso 6. Con el diámetro de la huella, la carga aplicada, obtenga el número Brinell en las tablas de dureza.

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Los datos obtenidos para esta práctica fueron los siguientes: Material

Carga

Acero

3000

Diámetro del penetrador 10

Diámetro de la huella 4.2

El diámetro de la huella medido fue de 4.2mm, en base a ello se consiguió la DBT (Dureza Brinell Tabulada) y la DBC (Dureza Brinell Calculada), esta última se obtuvo de la siguiente forma: 𝐷𝐵𝐶 =

2𝑃

𝜋𝐷(𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 )

=

2 ∗ 300

𝜋10(4.2 − √102 − 4.22 )

= 206.52

Mientras que la Dureza Brinell Tabulada daba lo siguiente: 𝐷𝐵𝑇 = 207

De este modo comparamos la DBT con la DBC y observamos que la diferencia era mínima, casi despreciable. Teniendo dichos datos se calculó el porcentaje de carbono de nuestro material, profundidad de la huella, su porcentaje de error y su esfuerzo a la tensión. Para los cuales se utilizaron las siguientes formulas:

Esfuerzo a la tensión: 𝜎𝑡 = 𝐾 (𝐷𝐵) = 490(206.52) = 101194.8 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔2

Donde K Constante que depende del valor obtenido en la dureza Brinell y en este caso se utilizó la constante 490 para este calculo

Profundidad de la huella: 𝐻=

𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 10 − √102 − 4.22 = = 0.462 𝑚𝑚 2 2

Porcentaje de error: %𝐸 = [

𝐷𝐵𝑡𝑎𝑏 − 𝐷𝐵𝑐𝑎𝑙 207 − 206.52 ] 100 = [ ] 100 = 0.231 𝐷𝐵𝑡𝑎𝑏 207

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Porcentaje de carbono: %𝐶 = [

𝜎𝑡 − 40000 101194.8 − 40000 ]= = 0.6119 100000 100000

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RESULTADOS Los datos obtenidos para esta práctica fueron los siguientes:

Tipo de Diámetro de Carga penetrador material

Tiempo

Diámetro de DBT huella

DBC

Acero

10-15 s

4.2 mm

206.52

10 mm

3000 Kg F

207

%E

H

σt

%C

0.231%

0.462 mm

101 194.8

0.6119%

Según los resultados obtenidos y las tablas de materiales, podemos decir que el material en cuestión es un “Acero al carbón rectificado” ya que sus rangos de dureza Brinell van de 170 a 210, y por su porcentaje de carbón, podemos decir que es un acero 1060

ACERO 1060 Propiedades: El acero 1060 es uno de los aceros con más alto contenido de carbono (0.60%). Es más difícil de fabricar que los grados de bajo carbono. Su maquinabilidad y en general la de todos los aceros de alto carbono, es baja. El 1060 tiene entre un 55 a 60 % de la maquinabilidad del acero 1112, considerado como 100% maquinable. Aplicaciones: Para la fabricación de herramientas de mano como martillos, mazos, partes en donde se requiere buena resistencia al desgaste, flechas, resortes, cuchillos, hachas etc.

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Conclusiones ¿Se realizo la prueba de ensaye Brinell de acuerdo con la norma establecida? Si, todo el procedimiento de la práctica fue seguido con forme las especificaciones que dicta la norma NMX-B-116-1998

¿Se obtuvieron datos lógicos al momento de realizar el ensayo? Si, en base a la norma, y con forme a las tablas que nos fueron proporcionadas logramos obtener datos de la dureza Brinell de manera lógica que concordaban con los de las tablas

¿La dureza Brinell calculada y tabulada mostraba diferencia? Mostraba una leve diferencia, pero no tan notoria, con ello se comprobó que la práctica fue hecha correctamente

¿Se logro calcular el porcentaje de carbono? Si, en base a la dureza Brinell calculada, se obtuvo el porcentaje de carbono

¿Se logro saber el tipo de material Si gracias a la dureza Brinell y demás cálculos se logró saber el tipo de material con el que se trabajó.

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