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8/17/2019 Propiedades mecánicas_ DUREZA
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Propiedades Mecánicas:
Dureza
Nombre: Fabrizio Casanova Camus
Carrera: Técnico en Mantenimiento Industrial.
Asignatura: Mantenimiento Industrial
Profesora: Miguel Melo.
Viña del Mar, 09 de mayo de 2016.
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Introducción
Propiedades mecánicas.
Muchos materiales, cuando prestan servicio, están sometidos a fuerzas o cargas, ejemplos
de ello son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las
cuales se construyen las alas de los aviones, el acero de los ejes de los automóviles o las
vigas y pilares de los edificios. En tales situaciones es necesario conocer las características
del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea
excesiva y no se produzca la rotura. El comportamiento mecánico o las propiedades
mecánicas de un material reflejan la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del
material (o sea, su deformación). Es decir, son aquellas propiedades de los sólidos que se
manifiestan cuando aplicamos una fuerza. Las propiedades mecánicas de los materiales se
refieren a la capacidad de los mismos de resistir acciones de cargas: las cargas o fuerzas
actúan momentáneamente, tienen carácter de choque, cíclicas o de signo variable: las
cargas varían por valor, por sentido o por ambos simultáneamente. Algunas de las más
importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez.
La respuesta de los materiales a las fuerzas aplicadas depende de:
1. Tipo de enlace.
2. Disposición estructural de los átomos o moléculas.
3. Tipo y número de imperfecciones, que están siempre presentes en los sólidos,
excepto en raras circunstancias.
Así, fijada la solicitación1 exterior es evidente que la deformación que se origina y, en
consecuencia, la tensión creada en el sólido elástico dependen de las fuerzas de atracción
molecular, es decir, de la estructura cristalina del material.
1 El término solicitación se emplea en ingeniería estructural para designar algún tipo de acción o fenómeno
externo que afecta a una estructura y necesita ser tenido en cuenta en los cálculos estructurales
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A pesar de la considerable complejidad de los materiales ingenieriles, todos los materiales
sometidos a cargas se pueden clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el
mecanismo que ocurre durante su deformación bajo las fuerzas aplicadas:
1.
MATERIALES ELASTICOS (cristales iónicos y covalentes).
2. MATERIALES ELASTOPLASTICOS (los metales estructurales).
3. MATERIALES VISCOELASTICOS (los plásticos y los vidrios).
A su vez los tipos básicos de deformación de los materiales como respuesta a las fuerzas
aplicadas son tres
1. Elástico.
2.
Plástico.3. Viscoso.
Los materiales refractarios en servicio están sujetos a fuertes tensiones mecánicas debidas,
en la mayor parte de los casos, a las dilataciones de la mampostería refractaria (Fuerzas
debidas a la expansión térmica), como es el caso de los refractarios en el horno de cemento.
La mayor o menor capacidad de un material para absorber dichas tensiones, deformándose
sin romperse, será una de las causas de buen comportamiento del material refractario en
las instalaciones.
Los ingenieros de materiales y los metalúrgicos, por otro lado, dirigen sus esfuerzos a
producir y conformar materiales que puedan soportar las condiciones de servicio predichas
por el análisis de tensiones. Esto necesariamente implica un conocimiento de la relación
entre la microestructura (es decir, los detalles internos) de los materiales y sus propiedades
mecánicas.
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¿Qué es la Dureza?
La dureza es una propiedad mecánica de los sólidos que se define como la oposición que
presenta un material a ser rayado o penetrado por otro cuerpo sólido. Es decir, es la
resistencia que ofrecen los materiales a alteraciones plásticas como la penetración, la
abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.
La definición de dureza es diferente a la de resistencia mecánica, la cual es la resistencia del
material a ser deformado. La dureza también es una medida de las propiedades de abrasión
de un material. Y es aquí cuando destacamos la mineralogía, área en la que la dureza se
define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una superficie
blanda se raya con más facilidad que una dura; de esta forma un mineral duro, como el
diamante, rayará uno blando, como el grafito, mientras que la situación inversa nunca se
producirá.
La dureza es la oposición que
presenta un material a ser rayado openetrado por otro cuerpo sólido
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Tipos de Dureza
Los primeros ensayos de dureza se basaron en el comportamiento de los minerales según
su capacidad de rayar a otro más blando. Para ello se definió una escala llamada Mohs,
cuyos valores van del 1 al 10, donde el 1 representaba al talco y el 10 al diamante. Luego se
desarrollaron diversas técnicas de medición utilizadas en la metalurgia y la ingeniería
principalmente. Actualmente los tipos de dureza están denominados según el ensayo del
cual provienen. A su vez un ensayo es una técnica de penetración de materiales que se
realiza en un durómetro.
Mineralogía.
En particular, la dureza relativa de los minerales
se determina gracias a la escala de dureza de
Mohs, nombre del mineralogista alemán
Friedrich Mohs que la ideó. En esta escala, diez
minerales comunes están clasificados en orden
de creciente dureza recibiendo un índice. La
dureza de una muestra se obtiene
determinando qué mineral de la escala de Mohs
lo raya. Así, la galena, que tiene una dureza de
2,5, puede rayar el yeso y es rayado por la
calcita. La dureza de un mineral determina en
gran medida su durabilidad.
Generalmente, los materiales más duros
presentan mejores propiedades a la abrasión
que otros.
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Metalurgia e ingeniería.
En metalurgia e ingeniería, la dureza se determina presionando una bolita o un cono de
material duro sobre la superficie estudiada y midiendo el tamaño de la indentación.
Durómetro
Con el paso de los años nuevas técnicas cuantitativas de dureza fueron desarrolladas luego
de la escala de Mohs, basadas en un
pequeño penetrador que es forzado
sobre una superficie de la probeta del
material a ensayar bajo condiciones
controladas de carga y velocidad. La
profundidad o tamaño de la huella
resultante se relaciona con un número
de dureza. Cuanto más blando el
material, mayor y más profunda la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas
obtenidas tienen un significado relativo y no absoluto, por lo que hay que tener cautela al
comparar las medidas arrojadas por distintas técnicas sobre el mismo material.
El durómetro es el dispositivo de medición para determinar la dureza de un material
basándose en el proceso descrito anteriormente. Existen distintos tipos de durómetros de
acuerdo a las diversas familias de materiales, habiendo posibilidad de medir dureza tanto a
un caucho como a un acero. Si bien la palabra “durómetro” en el mundo anglosajón sólo se
Las durezas obtenidas tienen un
significado relativo y no absoluto, por
lo tanto hay que analizar resultadosobtenidos a partir de diferentes
técnicas sobre el mismo material.
Indentation hardness tests are used in mechanical engineering to
determine the hardness of a material to deformation.
Indentación es un ensayo o prueba usada en ingeniería mecánica para
determinar la dureza o resistencia de un material a la deformación.
https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineeringhttps://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineeringhttps://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineering
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emplea para denominar al equipo para medir dureza Shore, en Latinoamérica es
ampliamente utilizada para identificar a todos los bancos de ensayo de dureza que existen.
Dado que existen distintos tipos de durómetros de acuerdo al material a indentar, a
continuación se presenta una tabla con los métodos principales y su respectiva aplicación:
Aplicaciones de los durómetros
Shore Rockwell Brinell Vickers
Polímeros
elastómeros y
cauchos.
Aceros tratados
térmicamente.
Metales y
aleaciones como
latón aceros
templados y
recocidos.
Fundiciones de
hierro nitrurados.
Como alternativa al
método Brinell mide
dureza en todos los
metales incluyendo
aceros inoxidables; aceros
al carbono; aceros
martensíticos y otros.
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Ensayos de Dureza.
BRINELL (HB)
Es un ensayo mecánico propuesto por el sueco J.A. Brinell en 1900. Consiste en una prensa
hidráulica de operación manual diseñada para imprimir un penetrador duro esférico 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
Se fuerza un indentador de balín de acero templado o de carburo de tungsteno de un
diámetro adecuado a la dureza del material contra la probeta, con una fuerza adecuada
para la dureza del material. El tiempo de aplicación de la fuerza varía entre 10-30 s.
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. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa
con chapas de menos de 6mm de espesor.
El valor así obtenido, se aplica a la fórmula Brinell. El número de dureza Brinell se define
como la fuerza aplicada dividida por la superficie de contacto entre el indentador y la
probeta después de haberse retirado el indentador.
Para hallar el grado de dureza Brinell, se emplea la siguiente formula:
= 2
( − √ − )
En donde:
HB : Grado de dureza Brinell
P: Fuerza aplicada al material en el ensayo (kp)
D : Diámetro de la bola de acero (mm)
d : Diámetro de la huella (mm)
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Dimensiones del penetrador Brinell y fórmula para calcular el número de dureza HB
ROCKWELL (HR)
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 aplica a materiales más duros que la
escala Brinell. Este ensayo tiene las siguientes variantes:
Dureza Rockwell B: usado para materiales más blandos, los penetradores son de
acero templado, como bolas de 1/16 de pulgada, 1/8, ¼ y ½ de pulgada.
Durezas Rockell A, C y D: donde el penetrador es un cono de diamante cuyo ángulo
en la base es de 120º. Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición
directa y es apto para todo tipo de materiales.
En el test Rockwell el penetrador es forzado contra el material con una fuerza preliminar
menor de 10 kp. Cuando el equilibrio ha sido alcanzado, un dispositivo indicador, que sigue
los movimientos del penetrador y también responde a los cambios en la profundidad de la
penetración del indentador, se dispone en posición establecida. Cuando la carga menor
preliminar todavía se está aplicando, se impone una carga mayor dando como resultado un
incremento en la penetración. Cuando el equilibrio se alcanza la fuerza adicional se quita,
pero la fuerza preliminar se mantiene aún. El incremento permanente en la penetración
resulta de aplicar y quitar la fuerza mayor adicional usada para calcular el grado de dureza
Rockwell. Es decir, se determina un numero de dureza a partir de la diferencia de
profundidad de penetración que resulta al aplicar una carga inicial pequeña y después una
carga mayor.
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Tipos de penetradores y cargas en ensayos Rockwell y Rockwell superficial
La escala de dureza Rockwell está representada por una letra del alfabeto (A, B, C, D, E, F,
G, H y K). Para Rockwell superficial se designa por un número que representa la carga mayor
aplicada y una letra que puede ser N, T o W. El número de dureza Rockwell se indica con el
sufijo HR y la identificación de la escala. Por ejemplo, 80 HRB representa una dureza
Rockwell de 80 en la escala B.
Los equipos modernos para la medida de dureza Rockwell están automatizados y hasta
permiten la variación del tiempo de aplicación de la carga. Sin embargo, los equipos
mecánicos siguen siendo utilizados ampliamente en la industria.
Durómetro Automático Starrett 3816 Rockwell
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VICKERS (HV)
Este sistema fue desarrollado en 1921 por Robert Smith y George Sandland en la empresa
Vickers Ltd. En el ensayo Vickers el penetrador está compuesto por un diamante piramidal
muy pequeño. El principio fundamental es observar la habilidad que tiene el material
indentado de resistir la deformación plástica. Las cargas aplicadas van de 1 a 1000 g, por lo
cual este ensayo es considerado de microdureza. La marca resultante se observa al
microscopio y se mide, esta medida es convertida a un número de dureza que se identifica
con HV (Número Pirámide Vickers) o DPH (Número Pirámide de Diamante Vickers). Es
necesario que la superficie de la muestra haya sido preparada con desbaste y pulido.
Llamado el ensayo universal. Sus cargas van de 5 a 125 kp (de cinco en cinco). Su penetradores una pirámide de diamante con un ángulo base de 136º. Se emplea Vickers para láminas
delgadas hasta 0.006 pulgadas y no se lee directamente en la máquina.
Este ensayo constituye una mejora al ensayo de Brinell, se presiona el indentador contra
una probeta, bajo cargas más pequeñas que las utilizadas que en el ensayo Brinell. La marca
resultante se observa al microescopio, se miden las diagonales de la impresión cuadrada y
se halla el promedio. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula:
= 1,854 ∗
En donde:
D: Es el promedio entre y
Es importante que la superficie de la muestra haya sido preparada cuidadosamente para
poder asegurar una huella que pueda ser medida con exactitud.
Dimensiones del penetrador Vickers y número de dureza HV
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SHORE
La escala de este durómetro fue definido por Albert Shore alrededor de 1920, aunque no
fue el primer dispositivo inventado en la historia para medir dureza.
Durometro Shore
Existen varias escalas definidas acorde a las diferentes propiedades de los materiales, pero
para este dispositivo las más comunes son las escalas A y D, la primera para plásticos
blandos y la D para los más duros. En total, y según la norma ASTM D2240-00, existen 12
escalas (A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, y R), cuyos valores van de 0 a 100
indicando la dureza del material.
El método de medición consiste en generar una indentación o impronta profunda en el
material con una fuerza normalizada a través de un penetrador. La profundidad depende
de la dureza del material, de sus propiedades viscoelásticas, la forma del penetrador de
presión y la duración del ensayo. Cuando se está haciendo la impronta en el material, la
medida de la profundidad se transmite a un resorte interno de un reloj comparador, que
puede ser análogo o digital, dando un valor determinado de dureza.
http://www.demaquinasyherramientas.com/wp-content/uploads/2015/02/Duro%CC%81metro-Shore.jpg
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Escala de durezas Shore A y D para distintas aplicaciones
http://www.demaquinasyherramientas.com/wp-content/uploads/2015/02/Escala-de-dureza-Shore.jpg
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Conclusiones
Se ha revisado una de las propiedades mecánicas de mayor importancia, ya sea por su
aplicación al momento de tomar una decisión para elegir materiales de construcción, así
como también en la I+D de la ingeniería mecánica y de materiales al permitir la creación y
testeo de nuevas aleaciones que respondan de mejor manera a las diversas necesidades de
la industria y la tecnología.
La dureza representa una propiedad mecánica esencial en la carrera de mantenimiento
industrial por evidenciar el nivel de desgaste por rayado o abrasión de una pieza,
herramienta y, por tanto, una máquina. Esto puede ser clave en la toma de decisiones de
compra, cuidado y reparación de una pieza, buscando así la optimización de los recursos y
la máxima vida útil de dicho elemento.
Finalmente, dado que existen muchos tipos de medición de dureza, es relevante
contextualizarlos según sean las distintas necesidades de cada tarea. No dejar sin cuidado
la comparativa de diversas mediciones realizadas con distintas técnicas sobre el mismo
material. Analizando críticamente, se puede desempeñar un trabajo más profesional y, por
cierto, de una calidad superior.
Bibliografía:
1. Callister, William. (1995). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales .
Reverté: Barcelona.
2. Ensinger. Propiedades técnicas de los plásticos. Recuperado de
http://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-
plasticos/propiedades-mecanicas/dureza
3. De Maquinas y Herramientas (2015). Introducción al durómetro. Recuperado de
http://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/durometro-tipos
4. Shakelford, James. (2005). Intoducción a la ciencia de materiales para ingenieros.
Pearson Prentice Hall.
http://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-plasticos/propiedades-mecanicas/durezahttp://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-plasticos/propiedades-mecanicas/durezahttp://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-plasticos/propiedades-mecanicas/durezahttp://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/durometro-tiposhttp://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/durometro-tiposhttp://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/durometro-tiposhttp://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-plasticos/propiedades-mecanicas/durezahttp://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-plasticos/propiedades-mecanicas/durezaRecommended