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Practica No. 2 1. Nombre:

Ensayo de Dureza.

2. Objetivo:

Medir la dureza de probetas de acero (virgen, recocido y templado) para observar

las variaciones que tienen estas probetas de acuerdo al proceso de mejora de

propiedades utilizado (tratamiento térmico).

3. Equipo y material utilizado.

1).- Penetrómetro marca Galileo, se observa en la ilustración siguiente.

2).- Probetas para medición de dureza (son las mismas que se utilizaran en el

ensayo de tensión Practica No. 3; 3 probetas de acero SAE 1045; virgen,

recocida y templada)

3).- Video de la práctica Ensayo de dureza.

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4. Marco teórico:

El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados

en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente la dureza es

una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad

fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos procedimientos.

El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta de

determinada geometría.

El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra

y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes

microestructurales del material.

Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente

por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de

aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La

elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como

tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.

Por medio de este método obtenemos características mecánicas importantes en

forma rápida y no destructiva y se pueden realizar en piezas ya elaboradas.

Definición: "La mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o

penetrado por otro" o "la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a otro

tomado como elemento de comparación".

4.1) Dureza Vickers.

Este método es muy difundido ya que permite medir dureza en prácticamente

todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se

encuentren y de su espesor.

El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de

base cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie

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cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P. Esta carga es

mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la

diagonal d de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra (figura 1).

Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers,

que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada

(expresada en kg) y el área de la superficie lateral de la impresión

4.2) Dureza Rockwell

La medición de dureza por el método Rockwell ganó amplia aceptación en razón

de la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la impresión producida

durante el ensayo.

El método se basa en la medición de la profundidad de penetración de una

determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada.

El número de dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es

igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. El método puede

utilizar diferentes penetradores siendo éstos esferas de acero templado de

diferentes diámetros o conos de diamante. Una determinada combinación

constituye una "escala de medición", caracterizada como A, B, C, etc. y siendo la

dureza un número arbitrario será necesario indicar en que escala fue obtenida

(HRA, HRB, HRC, etc.).

El proceso de medición con penetrador de diamante (utilizado para materiales

duros, como por ejemplo los templados) está esquematizado en la figura 2.

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 se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial

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permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales.

A continuación se aplica la carga P1 y la penetración se acentúa. Finalmente la

carga P1 es retirada y la profundidad h restante (solamente actúa P0) determina el

número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las

máquinas está invertida para permitir una lectura directa sobre el dial del

dispositivo mecánico.

La utilización de la escala de dureza Rockwell HR nos permite tener información

preliminar de las propiedades mecánicas del material, utilizando un sencillo

procedimiento:

1º. El número de dureza Rockwell se transforma a dureza Brinell

2º. Con la relación que hay entre la resistencia a la tensión Sult y la dureza Brinell

HB se calcula la resistencia a la tensión.

Sult = 500 x HB ……………… ec. 1

3º. Se define lo siguiente: (HRC) e = Dureza Rockwell correspondiente a la deformación elástica, y

(HRC) p = Dureza Rockwell correspondiente a la deformación permanente

Entonces podemos escribir:

Esfuerzo de cedencia = Syp =( )( ) ×

p

e

HRCHRC

Sult ……………… ec. 2

En los certificados de calidad es común utilizar la escala HRB donde el cono de

diamante es reemplazado por una esfera de 1/16" y la carga P1 vale 100 kg

En casos de materiales muy finos donde la carga de 100 kg es muy elevada,

pudiendo inclusive perforar la muestra, es utilizada la escala Vickers con una

carga de 10 kg y luego efectuada la transformación a la escala HRB utilizando

tablas de conversión adecuadas.

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4.3) Dureza Brinell.

Ensayo de penetración.

Define la dureza como la resistencia a la penetración o resistencia a la

deformación plástica que opone un material a ser presionado por un penetrador

determinado y bajo la acción de cargas preestablecidas.

Dureza Brinell.

Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bola de acero

muy duro durante un cierto tiempo ( t ) produciendo una impresión con forma de

casquete esférico.

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La dureza Brinell resulta de dividir la carga aplicada entre la superficie dada del

casquete.

( ) ( )2222

2

2dDDDπ

P

dDDDπP

areaPHB

−−=

−−== , kg/mm2

Constante de ensayo:

La resistencia de penetración varía con la solicitación y el penetrador

La dureza estará en función de la carga de ensayo y el diámetro de la bola. Es

necesario apelar al sentido común y un poco de prevención al hacer una prueba

Brinell. Si por ejemplo usamos una carga elevada para probar un metal suave, con

relación al diámetro de la esfera, obtendremos una impresión similar a la indicada

en la figura (a), La esfera penetro demasiado. Si la carga fuera demasiado ligera

con respecto al diámetro al diámetro de la esfera, la impresión seria semejante a

la indicada en la figura (b). la esfera no penetro lo suficiente. La relación P / D² se

ha normalizado con objeto de obtener resultados precisos.

P

D

d

h

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Figura (a) esfera con demasiada Figura (b) esfera con escasa

penetración (incorrecta) penetración (incorrecta)

Entonces la relación P / D² es una constante y tiene los siguientes valores:

Acero P / D² = 30

Aleaciones de cobre P / D² = 10

Aleaciones de aluminio y cobre puro P / D² = 5

Aleaciones de plomo y estaño P / D² = 1

(Donde los valores de P en kg y D en mm).

Es decir que si deseamos medir la dureza de una pieza de latón y vamos a utilizar

una carga de 1500 kg que diámetro de esfera debemos utilizar:

Utilizamos el 2º. caso ; P / D² =10

Substituyendo valores; 1500 / D2 = 10 ; de donde =10

1500=D 12.247 mm

De acuerdo a la variación de diámetros mostrada en la siguiente sección,

utilizaríamos la esfera de 15 mm y mantendríamos la aplicación de la carga

durante 30 segundos.

P

D

D

P

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Penetradores

Bolas de acero con diámetros de 15 mm; 5 mm; 2.5 mm; 2 mm y 1 mm; para

materiales y aceros con durezas hasta de 450 HB

Bolas de carburo de tungsteno, para rangos de durezas entre 450 y 630 HB

Tiempo de aplicación de la carga

= Aceros 15 seg.

= En metales no ferrosos (blandos), como bronce, aluminio etc. 30seg.

(No debe producirse efectos dinámicos, es decir no se deben hacer mediciones

sucesivas sobre el mismo punto)

Cargas empleadas

3000 kg - 1500 kg – 500 kg

4.4) Relación entre la dureza (HB) y la Resistencia a la tensión (Sult)

La dureza Brinell esta relacionada estrechamente con la resistencia a la tensión

del acero mediante la relación siguiente:

Sult = 500 x HB

Pero además, si definimos:

(HB) e = Dureza Brinell correspondiente a la deformación elástica, y

(HB) p = Dureza Brinell correspondiente a la deformación permanente

Podemos escribir:

Esfuerzo de cedencia = Syp =( )( ) ×

p

e

HBHB

Sult ……………… ec. 1

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5.- Desarrollo de la práctica.

Procedimiento y cálculos: 1º. Efectuar mediciones de dureza (la escala de medición de dureza se la indicara

el jefe de laboratorio) de las tres probetas que se usaran para el ensayo de

tensión:

(En este orden será la práctica)

• Probeta No. 1.- probeta de acero “virgen”, con este termino nos referimos

a una probeta tal y como sale de la operación de torneado después de

maquinarlo a las dimensiones indicadas.

• Probeta No. 2.- Probeta de acero con tratamiento térmico de recocido, se le

aplica este tratamiento térmico con el propósito de aliviar los esfuerzos

residuales que deja el maquinado de la probeta.

• Probeta No. 3.- Probeta de acero con tratamiento térmico de templado, se

le aplica este tratamiento con el objeto de aumentar su “resistencia a la

tensión Sult “, y su dureza. (Es uno de los objetivos de la práctica observar

el aumento de resistencia y dureza de los materiales que son templados).

2º. Observar con atención el desarrollo de la práctica y registrar los valores de

dureza de:

Probeta No. 1.-

Dureza = (HB) 1=

Probeta No. 2.-

Dureza = (HB) 2

Probeta No. 3.-

Dureza = (HB) 3=

3º. Cálculos.-

Los cálculos a efectuar son:

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Probeta No. 1.-

(Sult) 1 = 500 x (HB) 1 =

Probeta No. 2.-

(Sult) 2 = 500 x (HB) 2 =

Probeta No. 3.-

(Sult) 3 = 500 x (HB) 3 =