FUNDAMENTOS DE CIENCIAS MATERIALES PRCTICAS DE LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA -DUREZA BRINELL -DUREZA VICKERS -DUREZA ROCKWELL ENSAYO DE RESILIENCIA -ENSAYO IZOD -ENSAYO CHARPY Los ensayos de materiales son procedimientos normalizados destinados a determinar propiedades y caractersticas, y el comportamiento de los materiales en servicio. Los ensayos de materiales sirven principalmente para: 1. La caracterizacin de materiales. 2. Control de calidad, al principio, durante y al final del proceso. Permite conocer que el material sigue poseyendo las propiedades exigidas. 3. Determinacin de fallos en servicio, permitiendo tambin analizar las causas de los fallos.

ENSAYO DE DUREZAEl ensayo de dureza permite conocer la dureza de los materiales. Es difcil definir la dureza. Depende del ensayo que empleemos. Podramos definir como la resistencia superficial a la deformacin plstica, entendiendo como plasticidad la capacidad de un material para no recuperar su estado inicial una vez cesa la fuerza que lo deformaba. La dureza metalrgica es la resistencia que opone un material a la penetracin de otro mas duro que l. Cuanto mayor es la penetracin, mas blando es el material. Como ya se ha dicho, el valor obtenido depende del ensayo con que le hemos obtenido. Obtendremos entonces tantas durezas como tipos de ensayos. Se pude hablar de tipos de ensayo o tipos de dureza.

Ensayo Brinell. Objetivo: Es obtener al dureza a una penetracin esttica (dureza esttica). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente en el material. El penetrador no presenta ninguna deformacin superficial. Modo operativo. El penetrador es una bola de acero cuyo dimetro puede ser de 1,25; 2,5; 5; 7 y 10 mm. En este ensayo utilizaremos una esfera de 2,5 mm de dimetro. Esta mquina utiliza una carga de 10 Kg, pero no como precarga, sino para su correcto funcionamiento. La dureza Brinell se obtiene sin precarga, solo mediante la fuerza aplicada por la mquina. Midiendo el dimetro de la huella que deja, con un microscopio o lupa, se determina la dureza:

Atenindonos a la definicin, el nmero de dureza Brinell (como esfuerzo de contacto), es la relacin de la carga P que efecta el indentador esfrico de dimetro D, al rea de la superficie de la huella. En la prctica se usa la siguiente frmula de trabajo:

Se debe tener sumo cuidado en que el dimetro de la huella est entre el 25% y 60% del dimetro de la bola. Es decir, para las condiciones estndar (bola de 10 mm), el dimetro de la huella debe estar entre 2,5 y 6 mm. En la literatura se considera que la huella ideal es de d= 0,375 D.

Resultados. Material Acero F114 Cobre Aluminio Escala Brinell Brinell Brinell Penetrador Bola 10 Bola 2,5 Bola 2,5 Carga preliminar No No No Carga total 3000 Kg. 62,50 Kg 31,25 Kg Resultado 178.5 HB 86.8 HB 108.9 HB

Conclusiones y limitaciones del ensayo. Las limitaciones son: Solo se pueden medir materiales blandos, hasta aproximadamente 400 HB. El mximo posible con la bola mas dura es de 725 HB. Han de tener un espesor mnimo las piezas a ensayar, de aproximadamente unas 10 veces el espesor de la huella. Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy prximas entre ellas, ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformacin). No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta.

Ensayo Vickers. Objetivo. Es obtener al dureza a una penetracin esttica (dureza esttica). Trata de aplicar una fuerza con el penetrador durante un tiempo determinado, de tal manera que se genere una huella permanente. El mtodo Brinell, ya estudiado, posee una serie de insuficiencias. Con dicho mtodo no se puede ensayar probetas si su dureza se aproxima a la dureza de la bola, porque sta sufre deformaciones que alteran los resultados del ensayo. Si se utilizan bolas de acero este hecho limita la prueba Brinell a durezas mximas HB 400...500, si se usan bolas de carburo se limita a durezas HB 630. A causa de la gran profundidad de la impronta es imposible determinar la dureza de la capa superficial especialmente tratada, porque la bola penetra a travs de esta capa a la parte interior ms blanda. La medicin del dimetro de la impronta a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgi la necesidad de hallar otros mtodos de determinacin de la dureza. Modo operativo. Para obtener la dureza Vickers de la superficie de un material se presiona contra la probeta un indentador piramidal de diamante con ngulo entre sus caras = 136. La pirmide se mantiene algn tiempo bajo la carga P . Luego de retirada la carga se miden las dos diagonales de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la frmula de trabajo para obtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones ms.

Las cargas sobre el penetrador van desde 1 hasta 120 Kg. El tiempo a mantener la carga est fijado en 30 segundos en Espaa. Debido a que el valor del ngulo es constate e igual a 136, en la prctica se usa la siguiente frmula de trabajo:

Resultados. Material Acero F114 Escala Vickers Penetrador Pirmide diamante Carga preliminar No Carga total 100Kg Resultado 201.5 HV

Conclusiones y limitaciones del ensayo. La utilizacin de una pirmide de diamante tiene las siguientes ventajas: 1) las improntas resultan bien perfiladas, cmodas para la medicin; 2) la forma de las improntas es geomtricamente semejante, por lo cual la dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la carga; 3) la dureza con la pirmide coincide con la dureza Brinell para los materiales de dureza media; 4) este mtodo es aplicable con igual xito para los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales. Tambin hay que tener las siguientes precauciones: a) Ha de haber una distancia hasta el borde de la pieza y tampoco pueden hacerse muy prximas entre ellas, ya que en los bordes de las huellas aparece la acritud (dureza por deformacin). No pueden suceder golpes ni vibraciones para una lectura correcta. Para la escoger la magnitud de la carga nos basamos en criterios de conveniencia, debemos recordar que el mtodo Vickers posee semejanza geomtrica interna y en un principio es indiferente la carga aplicada. Sin embargo una carga muy alta puede causar que el indentador penetre ms all de la capa superficial a la que se desee medrsele la dureza, de otro lado una impronta muy pequea es difcil de medir y las imperfecciones geomtricas de la pirmide influyen en la precisin del mtodo.

Ensayo Rockwell Objetivo. Los mtodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medicin de las caractersticas geomtricas de la impronta toma cierto tiempo, adems dicha medicin a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgi la necesidad de desarrollar otros mtodos de determinacin de la dureza llevando al desarrollo de mtodos como el Rockwell, en el cual la medicin de la dureza es mucho ms gil y objetiva. El mtodo de Rockwell aunque es un mtodo de indentacin no pretende de manera directa medir la dureza a travs de la determinacin directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un nmero arbitrario, inversamente proporcional a la penetracin del indentador. Modo operativo. El esquema de determinacin de la dureza segn Rockwell se expone en la siguiente figura

Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la accin de la carga previa P0, la cual se mantiene hasta el final del ensayo. Esto garantiza una mayor exactitud del ensayo ya que

excluye la influencia de las vibraciones y de las irregularidades de la delgada capa superficial. Despus se expone la probeta a la accin de la carga total Pf = P0 + P1 , y la profundidad de penetracin aumenta. Luego de retirada la carga principal P1, en el sistema probeta-indentador ocurre una recuperacin elstica, ya que sobre el acta slo la carga previa P0, siendo posible la medicin de la profundidad de penetracin h, la cual determina el nmero de dureza Rockwell (HR). Entre el nmero de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia:

Para el cono de diamante

Para las bolas de acero

De estas frmulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetracin de 0,002 mm y que el valor de dichas unidades debe ser restado de cierto tope para que haya coherencia: a menor profundidad de penetracin mayor ser el nmero de Rockwell y viceversa.

En la prctica no hay necesidad de usar estas frmulas, ya que los indicadores de las mquinas de Rockwell de manera automtica realizan estas operaciones mostrando directamente el nmero de dureza en sus diales. Esta caracterstica granje para este mtodo un gran popularidad. Resultados. Material F114 templado F521 F114 recocido Fundicin Fundicin Chapa Al Escala Rockwell C Rockwell C Rockwell B Rockwell C Rockwell B Rockwell B Penetrador Cono diamante Cono diamante Esfera 1/16 pulgadas Cono diamante Esfera 1/16 pulgadas Esfera 1/16 pulgadas Carga preliminar 10 Kg. 10 Kg. 10 Kg. 10 Kg. 10 Kg. 3 Kg. Carga total 150 Kg 150 Kg 100 Kg 150 Kg 100 Kg 15 Kg Resultado 54.3 HRC 54 HRC 85.1 HRB 11 HRC 97 HRB 72 H RB

Conclusiones y limitaciones del ensayo. Las probetas deben ser limpiadas para retirar el xido, suciedad y escamas de una de sus caras donde se realizarn las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la superficie durante el procedimiento de limpieza. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie est en la normal del eje del indentador. Las esferas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850.

ENSAYO DE RESILIENCIA Objetivos y caractersticas fundamentales del ensayo.

Se empez a hacer este ensayo porque se observ que materiales que aguantaban bien en el laboratorio, no lo hacan luego en el uso real. Esto es porque en servicio, los materiales no estn sometidos solo a un tipo de carga, sino a varias simultneas. Las cargas hacen que dentro del material aparezcan tensiones. El principal objetivo del ensayo es evaluar la resistencia del material frente a impactos. Tambin sirve para poner de manifiesto la sensibilidad de los metales a las entallas. En el choque, en las proximidades de la entalla se obtiene una concentracin mxima de tensiones, que originan triaxialidad. La entalla en la probeta supone, pues, una mayor exigencia al material, siendo indispensable all donde adems de la tenacidad, se requiere una elevada resistencia a la rotura frgil. El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado pndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paraleleppeda ubicada en la base de la mquina. La probeta rompe de un solo golpe.

Luego de golpear la probeta, el pndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la cantidad de energa disipada al golpear. Principales parmetros que influyen en el ensayo. El resultado que arroja, expresado en Julios, varia en gran medida de la temperatura y de la velocidad. A menor temperatura y mayor velocidad, la rotura se produce antes. Tambin influyen caractersticas propias del material. A menor tamaa de grano, mayor resistencia al cizallamiento. Tipos ms importantes de probetas utilizadas en los ensayos. Las probetas utilizadas son diferentes dependiendo del tipo de ensayo, y en cualquier caso estn normalizadas. En el Charpy la probeta es de seccin cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces.

En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas estn separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta. Las probetas que fallan en forma frgil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composicin qumica, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transicin dctil-frgil".

Resultados: ensayo Izod. Proceso operativo del ensayo. Las probetas se colocan empotradas por un extremo y el golpe lo recibe la cara entallada a una distancia de sta de 22 mm. La entalla tiene que quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujecin. Con una probeta se hacen tres ensayos sucesivos y se toma el promedio de ellos. Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material. En el Izod, la probeta tiene tres entallas, una en cada cara. Las entallas estn separadas entre si 28 mm, y 22 mm del borde de la probeta. En el ensayo se utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un F112 laminado en caliente. Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Anlisis de fractura. El acero F114 absorbi 6,5 , 6, 75 y 7 Kg/m2 El valor medio es 6,75 Kg/m2 Resiliencia: = T/So Kg/m2 x 9,8= J. = 826875 J/ m2

Presenta deformacin previa y grano brillante. Rotura algo frgil: 70 % frgil, 30% dctil.

Resultados: ensayo Charpy. Proceso operativo del ensayo. Utiliza un martillo de pndulo como el arriba descrito. Se coloca al probeta horizontalmente, de forma que sea golpeada por el martillo en la cara opuesta a la entalla, precisamente en el momento en que el martillo se encuentre en el punto mas bajo de su trayectoria (la que se toma como referencia para medir la diferencia de alturas). Parte de la energia se ha empleado en romper la probeta, por lo tanto el martillo se elevar hasta una altura menor. Por lo general el trabajo absorbido nos lo da directamente el aparato. Probeta usada en el ensayo. Dimensiones. Material. En el Charpy la probeta es de seccin cuadrada, de dimensiones 55x10x10 mm. Tiene una entalla en una de sus caras de 2 mm de profundidad. El espesor de material para rotura es de 8 mm entonces. En el ensayo se utilizaron dos probetas: un acero F114 laminado en frio y un F112 laminado en caliente. Trabajo absorbido en el choque. Valor de resiliencia. Anlisis de la fractura. El acero F114 absorbi 7,5 Kg/m2 Resiliencia: = T/So Kg/m2 x 9,8= J. = 918750 J/ m2 La fractura es la de un material dotado de ductilidad. El acero F112 absorbi 18 Kg/ m2 = 2205000J/ m2 La fractura es la de un material mas dctil que el anterior.