Ensayos Destructivos en Soldadura

8/20/2019 Ensayos Destructivos en Soldadura

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ENSAYOS DESTRUCTIVOSMETALÚRGICOS

Primera parteINTRODUCCIÓN

A la hora de trabajar un material debemos de conocer sus propiedades mecánicas, y saber queestas propiedades mecánicas variarán en función de la velocidad de deformación y de la temperatura a laque se encuentre el cuerpo a ensayar. Los ensayos utilizados para medir estas propiedades mecánicas sonlos ensayos destructivos de propiedades mecánicas, que determinan las características mecánicas de losmateriales en condiciones de esfuerzo y deformación de las piezas o elementos que estarán sometidosdurante su funcionamiento real.

Un ensayo destructivo es aquel que deteriora la pieza que inspecciona, pero dependiendo deltipo de ensayo, la pieza experimentara desde una leve marca, a una deformación permanente o incluso surotura parcial o total.

Las propiedades mecánicas las definiremos como la forma en que un material soporta fuerzasaplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altastemperaturas. Las principales propiedades son: dureza, tenacidad, fragilidad, cohesión, elasticidad,plasticidad, resiliencia y fatiga.

Dureza es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros.

Tenacidad es la resistencia que tiene un cuerpo a la rotura.


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Fragilidad es la propiedad contraria a la tenacidad, la facilidad de romperse un cuerpo.

Cohesión es la resistencia que oponen los átomos de los materiales a separarse entre sí.

Elasticidad es la propiedad que tiene un cuerpo de ser deformado por fuerzas exteriores, y alcesar dichas fuerzas, éste recobra su forma original.

Plasticidad es la capacidad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes sin llegar ala rotura (ductilidad y maleabilidad).

Resiliencia es la energía que absorbe una probeta por unidad de sección, antes de romperse.

Fatiga es la capacidad que tiene un cuerpo de resistir esfuerzos repetitivos y variables enmagnitud y sentido.

Para el análisis de las propiedades mecánicas de los materiales podemos utilizar tres tipos decargas diferentes: estáticas, dinámicas o cíclicas.

Carga estática: es aquella que es invariable o su magnitud crece de forma lenta (un cocheencima de un puente, etc.).

Carga dinámica: es aquella que actúa de forma inmediata o aumenta su magnitud de formarápida (impactos, golpes, etc.).

Carga cíclica o alternada: es aquella que cambia de dirección o magnitud (o ambas) de formacíclica o alternada (cigüeñal, amortiguadores, etc.).

Los ensayos destructivos en la soldadura se vienen utilizando normalmente para:

1.- Efectuar un control de calidad durante el proceso de fabricación.

2.- Demostrar que este cumple con la normativa vigente y/o estándares sectoriales que le sonaplicables.

3.- Determinar el tipo de material, tratamiento o composición más apropiado.

4.- Contrastar los modelos de simulación utilizados para el diseño de dicho producto.

5.- Investigar nuevos procesos de fabricación.

6.- Estudiar nuevos tipos de materiales.

7.- Resolver problemas o incidencias aparecidas durante el uso de los productos y no previstasdurante el diseño del mismo.

8.- Determinar las propiedades mecánicas y de conformación de los materiales y fijar suutilización.

9.- Conocer experimentalmente las características técnicas del producto más allá de lasincertidumbres obtenidas mediante los procesos de diseño habituales.

Las ventajas más destacadas que tienen los ensayos destructivos son:

1.- Reproducir condiciones de uso de productos con el objeto de la resolver de problemas defuncionamiento de los que se desconoce su origen.

2.- Calibración de los modelos de comportamiento utilizados para simulación de componentes ydesarrollo de producto.


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3.- Obtención de información detallada acerca del comportamiento estructural de un elemento o producto y extracción de conclusiones de sus factores críticos.

Dentro de los ensayos destructivos de propiedades mecánicas podemos diferenciar: los ensayosdestructivos estáticos, ensayos destructivos dinámicos y los ensayos tecnológicos.

Los ensayos destructivos estáticos tienen la carga estática o progresiva.

Los ensayos destructivos dinámicos su carga no es ni estática ni progresiva

Los ensayos tecnológicos se utilizan para comprobar si un material es útil o no para unaaplicación en concreto, cuando por medio de los ensayos científicos no es posible realizar estascomprobaciones o resultan demasiado caras.


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Los ensayos destructivos mecánicos más usados en la soldadura se dividen en:

DUREZA

TRACCIÓN

COMPRESIÓN

ESTÁTICOS CIZALLADURA

FLEXIÓN

PANDEO

TORSIÓN

DESGASTE

ENSAYOS DINÁMICOS FATIGA

DESTRUCTIVOS

METALÚRGICOS RESILIENCIA

SOLDABILIDAD

FORJABILIDAD

CHISPA

EMBUTICIÓNTECNOLÓGICOS

DOBLADO O PLEGADO

CONFORMADO

TEMPLABILIDAD

MAQUINABILIDAD


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ENSAYO DE DUREZA

La dureza se define como la resistencia que opone un material a ser penetrado por un cuerpo másduro, y esta micropenetración se realiza mediante una punta. El ensayo de dureza es simple, de altorendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de losdiferentes componentes microestructurales del material.

Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen por la forma de laherramienta empleada (penetrador o hendidor), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factorestales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma, hay diferentes formas que varían enfunción de los resultados que queramos conseguir, podemos diferenciar los siguientes métodos:

1. Por la reacción elástica de los cuerpos que se ensayan al dejar caer sobre dicho cuerpo un metalduro.

2. Por la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados por otros más duros.3. Por la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse penetrar por otros más duros.

Los ensayos de dureza más utilizados son:

• Ensayo Martens.• Ensayo Shore.• Ensayo Mohs.• Ensayo Brinell.• Ensayo Vickers.• Ensayo Rockwell.• Ensayo Poldi.• Ensayo Knoop.

Ensayo Martens

El ensayo Martens se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°, con una carga constante ydeterminada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide a en micras y la dureza Martens viene dada por:

Ensayo Shore

El ensayo Shore se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él unmaterial más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produceun rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un esclerómetro o escleroscopio, el aparato segradúa dividiendo en 100 partes la altura media del rebote en una pieza de 7 gramos de acero durotemplado y prolongando la escala en 40 divisiones más, iguales a las anteriores, para poder realizarmedidas en materiales extraduros. La ventaja del esclerómetro o escleroscopio de Shore es que no produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado, por lo que se utiliza para medir la durezasuperficial de piezas terminadas, como cilindros de laminación, para mapas de dureza de una misma

pieza, piezas de pequeño tamaño pero siempre del mismo material, etc. La superficie a ensayar ha de estartotalmente plana, perpendicular, limpia y pulida, siendo recomendado hacer tres ensayos y cada vez ensitios diferentes, debido a el endurecimiento superficial producido por el choque.


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Se mide la dureza por el método Shore en función de la altura que alcanza en el rebote un cuerpoal caer de una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. El aparato se fija a la pieza que seva a ensayar con un pedestal que lleva adecuado para este fin. Se aspira el martillo haciendo el vacío conuna pera, y una vez en la parte más alta, se deja caer. Al rebotar el martillo queda retenido en su posiciónmás alta, para hacer cómodamente la lectura.

esclerómetro o escleroscopio esquema de esclerómetro o escleroscopio

Ensayo Mohs

El ensayo de Mohs se basa en la capacidad que tiene una sustancia sólida para resistir unadeformación o la abrasión de su superficie. En mineralogía, la dureza se define como la resistencia alrayado 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 acero, mientras que lasituación inversa nunca se producirá. La dureza de un mineral determina en gran medida su durabilidad.

La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la escala de dureza de Mohs, nombredel mineralogista alemán Friedrich Mohs que la ideó. Está formada por diez minerales comunes y estánclasificados en orden decreciente de dureza recibiendo un índice: talco 1, yeso 2, calcita 3, fluorita 4,apatito 5, ortosa (feldespato) 6, cuarzo 7, topacio 8, corindón 9 y diamante 10. Industrialmente se haconseguido alcanzar el nivel 11 de dureza, con el diamante negro y el borazón.

MINERAL DUREZA REFERENCIAS

Diamante 10Raya todos los materiales comunes (diamanteindustrial, disco de diamante, etc.)

Corindón 9Discos de lija de corindón, corundum (óxido dealuminio, carburo de tungsteno, etc.)

Topacio 8 Papel de lija de 7 a 9

Cuarzo 7El acero de una lima, 6,5 , arena de sílice de 6 a 7,vidrio sin plomo 7

Ortosa(Feldespato)

6 El cristal, 5,5 , piedra pómez,

Apatito 5 El acero de una navaja

Fluorita 4 El cristal de una ventana

Calcita 3 Se raya con una moneda de cobre

Yeso 2 Se raya con una uña

Talco 1 Se raya con una uña


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La dureza de una muestra se obtiene determinando qué mineral de la escala de Mohs lo raya.Cada número puede rayar todos los que tiene listados debajo. Por ejemplo, la galena, que tiene una durezade 2,5, puede rayar el yeso y es rayado por la calcita. El granito ofrece variedades desde el 5 hasta el 8 ylas calizas 3 al 4. Los escalones no tienen el mismo valor, por ejemplo la diferencia entre durezas 9 y 10es mucho mayor que entre las durezas 1 y 2. El diamante es 140 veces más fuerte que el corundum.

Se ha de tener cuidado con experimentar sobre una superficie fresca, ya que las partes alteradasson más blandas y confirmar la experiencia en 2 sentidos, con el mineral A, rayar el B y viceversa.

Ensayo Brinell

El ensayo Brinell HB consiste en una prensa mediante la cual aplica una presión (P)correspondiente para comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre unmaterial a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido. Después, por medio deuna regla graduada o un microscopio provisto también de un retículo graduado, se mide el diámetro de lahuella que la bola ha dejado en el material y mediante la fórmula o la tabla, se halla el número Brinell.

Si la huella resulta ovalada, se toma la medida de los diámetros extremos, teniendo mucho

cuidado al realizar el ensayo:

1. Que la superficie de la pieza esté limpia, sea perfectamente plana, normal al eje de aplicación dela carga y lo más homogénea posible.

2. Que el espesor de la pieza sea, por lo menos, doble del diámetro de la huella.3. Que la distancia del centro de la huella al borde de la pieza sea, por lo menos, cuatro veces el

diámetro de la huella.

La bola que se utiliza es de aproximadamente 10 milímetros de diámetro. La bola es forzada a penetrar el material que está siendo probado durante un tiempo determinado de 15 segundos, y después seretira la presión de la bola para medir la huella (S). Si el material es muy duro, la bola podrá ser decarburo de tungsteno, mientras que una bola de acero de fricción es suficiente para las sustancias mássuaves. La cantidad de presión también varía en función del material, pero una cantidad estándar de

presión para las sustancias más duras es 3000 kilogramos (6614 libras). No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 en aceros templados, porque se deformaría la bola.

La fórmula se divide la fuerza utilizada por la superficie de la huella.

D = diámetro de la bola d = diámetro de la huella


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El valor de la carga P viene dado por:

• K = constante de ensayo • El tiempo de ensayo es T = de 10 a 15 segundos según normas UNE.

Los valores de K para algunos materiales son:

• Aceros y elementos siderúrgicos: K=30.•

Cobres, Bronces, Latones: K=10.• Aluminio y aleaciones: K=5.• Materiales blandos (estaño Sn, plomo Pb): K=2,5.

Al medir la dureza Brinell de un material, es proporcional a la lista de las condiciones de la prueba, y se utilizan medidas métricas. La lista comienza con el número de dureza Brinell, sigue con eltipo de ensayo, seguida en el diámetro de la bola, la cantidad de fuerza aplicada, y la cantidad de tiempo.

XXX HB (D/P/t)El pino es una madera muy blanda, se presentaría una lista como esta: 1,6 HB 10/100/30. Esto

significa que la dureza Brinell de pino es de 1,6 cuando se impresionó con una bola de acero templadoque es 10 milímetros (4 /10 de pulgada) de diámetro con un peso de 100 kilogramos (220 libras) durante30 segundos.

DUREZA BRINELL DE ALGUNOS MATERIALES

Acero de herramientas templado 500

Acero dulce (0.80% de carbono) 210

Acero dulce (0.10% de carbono) 110

Bronce 100

Latón 50

Aluminio 25 a 30


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Ensayo Vickers

El ensayo Vickers HV es como el ensayo Brinell, con la diferencia que en el ensayo Vickers elcuerpo penetrador tiene forma de pirámide cuadrangular de diamante, cuyo ángulo en el vértice es de136°. Es un método muy difundido, ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materialesmetálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. Se basa en el principio de

calcular el valor de dureza relacionando la fuerza de aplicación sobre la superficie de la impresión en elmaterial y su campo de aplicación es de muestras medianas.

El equipo consiste en una máquina que soporta la probeta y permite un contacto gradual y suaveentre ésta y el penetrador, bajo una carga predeterminada (más ligera que la utilizada en el ensayo Brinell)y que se aplica durante un periodo de tiempo dado. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco encinco). El diseño de la máquina debe ser tal que no tenga balanceos o movimientos laterales de la probetao del penetrador, mientras se aplica o retira la carga, se utiliza un microscopio de medición quegeneralmente va montado en la máquina.

El penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo laacción de una carga P. Ésta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada ymedida la diagonal d de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra. Con este valor yutilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers, que es caracterizada por HV y definidacomo la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de laimpresión. Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.

La huella vista desde arriba es un cuadrado y se calcula partiendo de la fuerza en Newton N y dela diagonal en mm2 de la huella de la pirámide según la fórmula:

P: carga aplicada en N.

d: diagonal media de la huella en mm.

La diagonal d es el valor medio de las diagonales de la huella d1 y d2.


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Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser inferior, sesuele usar el ensayo de dureza Brinell). Este procedimiento es apropiado para aceros nitrurados ycementados en su capa externa, piezas de paredes delgadas de acero, metales no férreos, materialestemplados o muy endurecidos, piezas delgadas con espesores mínimos hasta de 0,2 mm, etc. y puedeusarse en superficies no planas.

XXX HV YYPor ejemplo: 440 HV 30, donde 440 es el número de dureza, HV da la escala de dureza

(Vickers) y 30 indica que la carga utilizada en kg. Sus unidades son: Kp/mm2 Kp

DUREZA VICKERS DE ALGUNOSMATERIALES

MATERIAL VALOR

Acero inoxidable 316L 140HV30

Acero inoxidable 347L 180HV30Acero al carbono 55-120HV5

Hierro (mineral) 30-80HV5

Ensayo Rockwell

El ensayo Rockwell HR se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, pero en lugar de determinar la dureza del material en función de la superficie de la huella que deja el

cuerpo penetrante, se determina en función de la profundidad de ésta huella. El número de durezaencontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción de un penetrador bajo una carga elástica dada. La diferencia de este ensayo es que los penetradores y las cargas sonmenores, de ahí que la huella resultante sea menor y menos profunda.

Consiste en una máquina especialmente diseñada que aplica la carga a través de un sistema de pesas y palancas. Los cuerpos penetrantes son: un diamante en forma de cono de 120° = b 1°, con la puntaredondeada, con radio de 0,2 ± 0,01 mm, y bolas acero templado de diferentes diámetros (1/8" y 1/16", ylas menos empleadas 1/2" y 1/4"). El valor de la dureza se lee directamente sin necesidad de cálculos, enun indicador de caratula con dos graduaciones, una escala con números negros (con 100 divisiones), paralas mediciones con punta de diamante o también llamado penetrador Brale y otra escala con númerosrojos (con 130 divisiones), para las mediciones realizadas con bolas.

La medición obtenida es un número arbitrario que está inversamente relacionado con la profundidad de la huella. En total existen veintiuna escalas para veintiuna combinaciones de penetradoresy cargas. Se utilizan cargas de 60, 100 y 150 Kg., para materiales gruesos, y de 15, 30 y 45 Kg., paramateriales delgados. Un factor muy importante es elegir bien el tipo y tamaño de penetrador, y la cargaque se le aplique a la probeta, en función de la escala Rockwell que vayamos a utilizar.

Es un método muy rápido y preciso, pudiendo realizar el ensayo operarios no especializados.Además, las huellas son más pequeñas y es aplicable para materiales que posean durezas que rebasenmétodo Brinell. Permite medir durezas en aceros templados. Tiene el inconveniente de que si el materialno asienta perfectamente sobre la base, las medidas resultan falseadas. Con respecto a la forma de las piezas, si son cilíndricas, de diámetro inferior a 30 mm, debe introducirse un factor de corrección. Elespesor mínimo que deben tener las piezas o probetas para que no resulte falseada la lectura por

deformación, es diez veces la penetración del cono o de la bola.


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Las cargas se aplican en dos tiempos. Primero se aplica una carga de 10 Kg o 3 Kp, poniendo acontinuación el indicador que mide la penetración a cero. Después de completa la carga, hasta llegar a lacarga total del ensayo y se mide la dureza. Se determina deduciendo del número 100, si se ensaya con punta de diamante, y del 130 si se ensaya con bola, las unidades de penetración permanente medidas en0,002 de milímetro. Esto se hace para que a los materiales más duros correspondan más unidades dedureza que a los blandos, y ocurriría lo contrario si la dureza se diese por las unidades de penetración, a

mayor penetración, más unidades, el material sería más blando.

Por ejemplo: si la carga es de 100 Kg, se deberá poner 90 Kg más de los 10 de aproximación, yse quita después la carga adicional (los 90 Kg).

La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa Po y una posterior P1 tal que:

P= Po+P1

Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h0 sobre la acción de la carga P0 que semantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de lascondiciones superficiales.

ensayo Rockwell con cono ensayo Rockwell con bola

La denominación de los ensayos de Rockwell se hace por las iniciales HR, seguidas de una letraminúscula que define la escala. Por ejemplo, 60 Rockwell de la escala c se debe anotar 60 HRc.

n HR x

Dónde: n es la carga aplicada en kg, HR es el identificador del ensayo Rockwell, la letra que vaseguida de HR y es la letra correspondiente a la escala usada. Por ejemplo para un material que se le haaplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala b sería 60 HR. Las cargas vienen dadas por el tipode dureza Rockwell a realizar (en Kg.). Los tipos de dureza Rockwell y sus respectivas cargas y penetradores son las siguientes:

CONOS BOLASCARGA TIPO DIÁMETRO CARGA

10+50 HRAHRB 1/16” 10+90

10+140 HRC10+90 HRD

HRE 1/8” 10+90HRF 1/16” 10+50HRG 1/16” 10+140HRH 1/8” 10+50HRK 1/8” 10+140


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Ensayo Poldi

El ensayo Poldi es una variante de la dureza Brinell, que consiste en un equipo portátil, donde elimpulso se comunica directamente a un dardo de acero, golpeado con un martillo aplicado directamentecon la mano. Debemos colocar el material muestra (probeta de comparación o patrón cuya dureza esconocida) entre el dardo de acero y la bola. El efecto ha de ser lo suficientemente uniforme para servir de

base a la medida.

Se mide el diámetro de la huella marcada por una bola. Se diferencia del Brinell en que la presión no se efectúa progresivamente, sino instantáneamente por choque y que la carga que actúa esvariable. La bola que tiene el aparato se apoya por un lado sobre la pieza a ensayar y por el otro sobre la barra patrón. Al dar un golpe con el martillo, se marca una huella en cada una de las superficies, si ambosmateriales tienen la misma dureza las huellas serán del mismo diámetro, si la pieza a ensayar es más durasu huella será menor. Midiendo ambos diámetros podemos por medio de una tabla conocer la durezaBrinell del material que se ensaya. Es independiente del tiempo de carga.

Si Hp es la dureza del patrón y H de la pieza, y Sp es la superficie de la huella patrón y S la de la pieza a ensayar, se obtiene:

ΗP S

H SP

SPH ΗPS

.

XXX HBS D POLDI

Dónde XXX es la carga aplicada en kg.


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Ensayo Knoop

El ensayo Knoop es similar al ensayo Brinell o Vickers, lo que varia es el penetrador, y seutiliza para medir la dureza en valores de escala absolutas y se valoran con la profundidad de señalesgrabadas sobre un material mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerzaestándar. El penetrador Knoop produce una huella relativamente poco profunda (1/30 de la longitud de de

la diagonal mayor), cuando se compara con una carga realizada por penetrador Vickers.

Consiste en presionar en un punto con un diamante piramidal sobre la superficie pulida delmaterial a probar con una fuerza conocida, durante un tiempo de empuje determinado, y la hendiduraresultante se mide usando un microscopio. Se emplea un penetrador de diamante piramidal de baserómbica de geometría con relación entre diagonales de 1:7. Sus ángulos entre aristas son a = 130° y b =172° 30’, de donde obtenemos:

Donde: L es la longitud de la hendidura en su eje largo, Cp es el factor de corrección relativo a laforma de la hendidura, idealmente 0,070279 y P es la carga.

XXX HK P/t

Entre las ventajas de esta prueba está que se necesita sólo una cantidad de muestra muy pequeña,y que es válida para un rango muy amplio de fuerzas. La principal desventaja es la dificultad de tener queusar un microscopio para medir la incisión (con una precisión de 0.5 micrómetros), y el tiempo necesario para preparar la muestra y aplicar el penetrador o hendidor. Se usa para durezas normales (P = 1-5 Kp),superficiales (P = 1/2-1 Kp) y micro durezas (P = 10 a 500 gr.). Se emplea sólo en laboratorio, para medirla dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos.


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TABLA COMPARATIVA DE DUREZAS

Dedicado a: Vicente Capote Bujalance .

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