Ensayos de dureza de

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Ensayos de dureza Rockwel y dureza Brinel

Asignatura: Ensayos Físicos

PNT Código: EF-02/LAN_2014

Instituto Fray Luis de León Año académico: 2014-2015

Elaborado por: Daniela Pendeva Stoycheva


Ensayos Físicos, PNT: EF-02/LAN_2014 Página 2/10

ÍNDICE

1. OBJETIVO

2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1. DUREZABRINELL 2.2. DUREZA ROCKWELL

3. MATERIALES

4. PROSEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS

6. CONCLUCIÓNES

7. ANEXOS

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS



1. OBJETIVO Los objetivos fundamentales de esta práctica son:

Familiarizar a un Durómetro - Aprender a manejar las escalas de medición de dureza; - Reconocer u manejar los instrumentos utilizados para hacer mediciones de

dureza; - Diferencial los tipos de penetradores que se pueden manejar ; - Aprender a utilizar un visor de huellas;

Determinar la dureza de diferentes muestras por medio de ensayos de dureza Rockwell y dureza Brinell

Interpretar los resultados de ensayo de dureza.

2. FUNDAMENTO TEORICO La dureza es la resistencia que opone un cuerpo a ser rallado o penetrado por una pieza de material diferente. Es una medida de la resistencia de los materiales a la deformación permanente (plástica) en su superficie. No existe una medida absoluta de la dureza, siempre es necesario hacer referencia al método usado para determinar. Los ensayos de dureza se clasifican en tres grupos básicos.

Dureza de rallado. Mide la resistencia del material a ser rayado con otro material . utilizando diferendos escalas de referencia: escala de Mohs, escala de Martens o de limas. Son métodos no muy precisos.

Dureza a la penetración. Mide la resistencia que ofrece el material a ser penetrado por otro (penetrador). Son métodos de dureza estáticos, en los cual la carga se aplica lentamente y durante un tiempo determinado. En general la medida de dureza en este tipo de ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el área de la huella que deja el penetrador en la superficie, como es el caso del método Brinell, o Rockwell.

Dureza al rebote. Son métodos de dureza dinámicos, donde la carga actúa mediante un impacto. En general el penetrador es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida y el valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador luego de impactar en la muestra. Un ejemplo es el método de Shore.

La dureza de un material depende de la facilidad con la que se deforma plásticamente. Por ello para un material en particular, puede determinarse empíricamente una relación entre la dureza y la resistencia. Los ensayos de dureza permiten realizar los cálculos pertinentes sobre el diseño y fabricación de estructuras, equipos y materiales de construcción y en general nos da un criterio para que se pueda elegir la sección del metal que mejor se adapte a las necesidades.

2.1. ENSAYOS DE DUREZA A LA PENETRACIÓN La dureza del material se mide forzando con un penetrador sobre su superficie. El material de penetrador, que es usualmente una bola, pirámide o cono, está hecho de un material mucho más duro que el material bajo ensayo. Para mayoría de los ensayos de dureza a la penetración se aplica lentamente una carga conocida presionando el penetrador



a 90 ° en la superficie del material bajo ensayo. Después se realiza la incisión, se retira el penetrador de la superficie (Figura 1) . Se calcula un valor de dureza empírica (dureza Brinell) o se lee en una escala (dureza Rockwell) que se basa en el área o en la profundidad de la impresión.

Figura 1. Las huellas que dejan dos penetradores diferentes después de su retiro de la superficie del material .

2.1.DUREZA BRINELL El penetrador es una bola de acero o bola de carburo de turgsteno, de un diámetro determinado (D). Se aplica una carga conocida (F) durante un tiempo determinado. El tiempo varía entre 30 segundos para materiales más blandos hasta 3 minutos dependiendo del material. Se mide el diámetro de la huella (d) y se calcula la dureza del material, en función de la carga aplicada, según la ecuación:

𝐻𝐵 =𝐹

𝐴, teniendo en cuenta que A=πDh entonces la ecuación que se utiliza es :

HB=2𝐹

𝜋𝐷(𝐷− 𝐷2 −𝑑2);

𝑘𝑔𝑓

𝑚𝑚 2 (1-1)

Dónde: HB –dureza Brinell, F 𝑘𝑔𝑓 – carga aplicada; D 𝑚𝑚 –diámetro de la bola; d 𝑚𝑚 – diámetro de la huella; 𝑕 𝑚𝑚 –profundidad de la huella;

Figura 2. Símbolos que describen dureza Brinell

El topo del penetrador depende del valor de la dureza de material ensayado. Para materiales menos duros se utiliza bola de acero. Si la dureza Brinel es superior de 650 kgf/mm² este método no da resultados fiables.



El diámetro de la bola (penetrador), la duración y valor de la carga aplicada se determinan en dependencia de la naturaleza del material. Las características importantes del ensayo son:

- no se puede realizar sobre piezas esféricas o cilíndricas; - no es fiable en materiales muy duros y de poco espesor; - El espesor de la muestra que se ensaya, debe ser al menos doble que del

diámetro de la bola; - los diámetros de la huellas que se obtiene deben encontrarse en intervalo:

𝐷

4< 𝑑 <

𝐷

2 , para que el ensayo se admite como valido;

- La superficie de ensayar tiene que ser limpia y uniforme. Los valores obtenidos de la dureza están organizados en tablas en función del diámetro de la huella, las cargas aplicadas y el diámetro de la bola. INDICACIÓN DEL VALOR DE DUREZA BRINELL La forma estándar para expresar el valor de la dureza de un material es la síguete:

Parametro1 HB parametro2/parametro3/parametro4

Parámetro 1: el valor de la dureza;

HB: símbolos que nos indican que el ensayo es de dureza Brinel, hay dos posibilidades, dependiendo del penetrador utilizado;

- puede ser el símbolo HBS cuando se utiliza bola de acero; - puede ser el símbolo HBW cuando se utiliza bola de turgsteno, ;

Parámetro 2: diámetro de la bola utilizada 𝑚𝑚 ;

Parámetro 3:Carga de ensayo 𝑘𝑔𝑓 ;

Parámetro 4: Tiempo de aplicación de la carga 𝑠 .

2.2. DUREZA ROCKWELL Este método permite lectura directa de los valores de la dureza. Se diferencia del anterior en que la medida de la dureza se hace en función de la profundidad de la huella y no de su superficie. Se utiliza como penetrador una punta de diamante en forma de cono para materiales duros (HRC), o de bola para materiales blandos (HRB). Se conocen diferentes escalas de ensayo de dureza Rockwwel, que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas que están tabuladas. En la práctica más difundidas son la escala B y la escala C. El esquema de determinación de la dureza Rockwell se expone en la Figura 4

Figura 3. Esquema de medición de la dureza Rockwell utilizando un penetrador en forma de cono.



El esquema de determinación de la dureza Rockwell se expone en la Figura 3 y consiste en los siguientes pasos:

a) El indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa 𝐹0 = 10𝑘𝑔 , 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 capa superficial. Se toma la referencia 𝑕0.

b) Se expone la probeta a la acción de la carga total 𝐹1, que es l asuma de carga principal (consulta Anexo, tabla 3) y carga previa (10kg), y la profundidad de la penetración aumenta hasta 𝑕1 .

c) Se retira la carga principal, por lo que ocurre una recuperación elástica en material, ya que sobre el actúa sólo la carga previa, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h.

d) La profundidad de la huella viene definida por: 𝑒 = 𝑕 − 𝑕0. Se mide en una escala graduada (cada división son 0,002 mm) mediante un dispositivo accionando por el penetrador..

La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración sino como diferencia de dos números de referencia. Entre el número Rockwel y la penetración de la deformación permanente “e” existe la siguiente dependencia:

Para penetrador cónico : carga total= 10+140 𝐻𝑅𝐶 = 100 − 𝑒 (1-2)

Para penetrador esférico: carga total=10+90 𝐻𝑅𝐵 = 130 − 𝑒 (1-3)

Si se toma “e” directamente como valor de dureza Rockwell, a mayor dureza “e” seria menor u a revés. Esto haría que la escala tuviera un sentido opuesto a las de otros métodos de medir la dureza (Brinell , Vickers). Para que en todos los casos, a mayor dureza corresponde mayor numero, se toma un valor convencional de 100 para el penetrador cónico y 130- para el esférico y se resta la deformación permanente “e”. INDICACIÓN DEL VALOR DE DUREZA ROCKWEL La forma estándar para expresar el valor de la dureza de un material es la síguete:

Parametro1 HRX

Parámetro 1: el valor de la dureza;

HR: símbolos que nos indican que el ensayo es de dureza Rockwell;

X: nos indica en que escala se ha utilizado para este ensayo. Existen tablas con las diferentes tipos de escalas, en combinación con los penetrador y la carga total dependiendo de tipo de material (ej. HRC- escala C)

3. MATERIALES

Probetas para ensayo de dureza- probetas de diferentes materiales que disponemos en el laboratorio de ensayos físicos( consulta Figura 4 -b) ;

Durómetro (Figura 4);



Figura 4. Durómetro HOYTOM, tipo Minor- 69. a) la máquina de ensayo; b) accesorios; c) escala del Durómetro para la dureza Rockwell

Visor de huella (Figura 5)

Figura 5. Visor de huella para ensayos de dureza Brinell. a) el instrumento; b)la vista de una huella en la probeta.

4. PROSEDIMIENTO EXPERIMENTAL Los ensayos de dureza se realizan en el Durómetro HOYTOM, tipo Minor- 69 (Figura 4). ENSAYO BRINELL Seguimos los siguientes pasos:

Elegimos los condiciones de ensayo (el penetrador , la carga y el tiempo de aplicación) teniendo en cuenta el material de la muestra según los instrucciones del proveedor de la maquina o de acuerdo con parámetros en Tabla 1 y Tabla 2 en el anexo. Es decir: F/D²= 30 ; D = 2,5 mm; F = 187,5 kgf,

Como no sabíamos con seguridad el tipo de aleación de la probeta y queríamos que la huella se puede medir (entra en la escala de nuestro visor ) , hemos elegido los parámetros:

D = 1/16”; F = 62,5 kgf,



Colocamos la probeta en l amordaza de la maquina ;

Aplicamos la carga durante el tiempo necesario;

Medimos el diámetro de la huella utilizando el visor de huella (Figura 5);

Calculamos la dureza Brinel utilizando ecuación (1-1);

Expresamos los resultados correctamente. ENSAYO ROCKWELL Seguimos los siguientes pasos:

Según el material de la probeta , teniendo en cuenta tabla 3 en el Anexo, elegimos el penetrador y la carga de ensayo- la escala ;

Ponemos la probeta sobre la superficie de la mordaza de la maquina;

Giramos el volante para hacer el contacto entre la probeta y el penetrador;

Una vez hecho el contacto continuamos elevando hasta que la aguja grande gire tres vuelta y se ponga en l aposición “CO” (consulta Figura 4-c), durante este recurrido de la aguja grande , la pequeña guira hasta entrar en el rectángulo verde y no tiene que rebasar la línea roja( hiramos tres veses);

En este posición una carga previa de 10 kg se aplica sobre la probeta;

Esperamos 15 segundos;

Movemos lentamente la palanca hacia delante para aplicar la sobrecarga;

Cuando la aguja está establecida volvemos a empujar la palanca hasta su posición de reposo;

Leemos sobre el comparador la cifra indicada por la aguja. Para notar el valor correspondiente se utiliza la escala de cifras negras para el indentador cónico y la escala de cifras rojas- para la penetradores esféricos;

Liberamos la pieza girando el volante.

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS 5.1. Resultado de ensayos Brinell Para ensayo Brinell hemos escogido una probeta de acero fundido y utilizado las siguientes condiciones:

- Carga: F=62,5kgf - Diámetro de la bola: D=1/16”, (1,588mm) - Tiempo de carga: 15 s - Diámetro de la huella :d=073 mm

Para calcular la dureza utilizamos ecuación 1-1

HB=2𝑥62,5

𝜋𝑥1,588(1,588− 1,5882 –0,732)

= 44,7 𝑘𝑔𝑓

𝑚𝑚 2

Expresar el resultado correctamente: 44,7HBS 1,588/ 62,5 /15



5.2. Resultados de ensayos Rockwell

Material a Ensayar

Penetrador Tipo/parámetros

(diámetro en pulgadas)

Carga

Escala

Resultado

Aleación de Cobre N1

Bola , 1/8´´ 100 HRB 71

Aleación de Cobre N1

Bola, 1/16´´ 100 HRB 72

Aleación de Aluminio N1

Bola , 1/8´´ 100 HRB 74

Aleación de Aluminio N2

Bola, 1/8´´ 100 HRB 78

Aleación de cobre y zinc- Latón N1

Bola, 1/8´´ 100 HRB 71

Aleación de cobre y zinc- Latón N1

Bola, 1/16´´ 100 HRB 66

6. CONCLUCIÓNES Las probetas que hemos ensayado eran de materiales - aleaciones cuya no sabíamos con seguridad. Hemos elegido condiciones que se asercaban, pero no se ajustaban a los normalizados. Por todo esto no se puede hacer conclusiones sobre la dureza de los materiales ensayados. Los observaciones que hemos hecho eran que:

- medir la dureza de un material es fácil y rápido utilizando tanto el método Rockwell como el Brinell;

- la superficie del metal de ensayo tiene que ser uniforme y limpia; - si no seguimos los condiciones normalizadas se pueden obtener resultados no fiables.



7. ANEXOS

Tabla 1. Tabla de selección de los grados de fuerza para el ensayo de dureza Brinell

Tabla 2. Tabla de selección de diámetro y magnitud de fuerza para el ensayo de dureza Brinell

Tabla 3. Tabla de escalas de A a L con correspondiente carga total y tipo de penetrador según tipo de material de ensayo de dureza Rockwell



8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) William F. Smith , Fundamentos de la Ciencia e ingeniería de materiales , Editorial McGraw-Hill, 1998.

2) Pat L. Mangonon, Ciencia de materiales, Editorial Med Weist, 1999.

3) Lisana Garrido Vílchez, Apuntes de Ensayos Físicos, Tema 9- Degradación de materiales.

4) Practica de dureza , Disponible en: www.es.slideshare.net/uvillagran/practica-de-dureza-10113902

5) Gabriel Calle y Edison Henao, Dureza Brinell,

Disponible en : www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZABRINELL.pdf

6) Ensayos de dureza,

Disponible en: http://190.105.160.51/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf

7) Ensayos de dureza, Disponible en : www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/ptrb2_2_6.html

8) Instucción de ensayos de dureza Rockwell, Brinell, Vickers, HOYTOM tipo Minor- 69

http://www.es.slideshare.net/uvillagran/practica-de-dureza-10113902

http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZABRINELL.pdf

Science

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