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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
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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: