UNIVERSIDAD DE ORIENTE NUCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA II (ENSAYO DE DUREZA)
Revisado por:
Realizado por:
Prof. Francisco García
Br. Márquez, Stevenson C.I.: 26.434.885 Br. Villarroel, Daniel
C.I.: 23.536.274
Br. Carrero, José
C.I.: 24.226.609
Br. Velasco, Cesar
C.I.: 25.313.374
Br. García, Gustavo
C.I.: 24.829.337
Sección: 23 Barcelona, 17 de Junio de 2015
INDICE RESUMEN ÍNDICE I. INTRODUCCIÓN II. OBJETIVOS 2.1. Objetivo general 2.2. Objetivos específicos III. MARCO TEÓRICO IV. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL VI. RESULTADOS VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES IX. BIBLIOGRAFÍA17 X. APÉNDICES: APÉNDICE A: EJEMPLO DE CÁLCULOS18
RESUMEN Se realizó el estudio de dureza en una probeta de acero 1040, utilizando dos métodos prácticos: Ensayo de dureza Brinell y Ensayo de dureza Rockwell. Para el ensayo de dureza Brinell se utilizó la máquina de ensayo portátil y se colocó sobre la probeta con un penetrador de bola de diámetro 10mm. Se le aplicó una carga de 750 Kg., luego con la ayuda de un micrómetro ocular se midió el diámetro de la huella. Para el ensayo de dureza Rockwell las probetas fueron colocadas cada una en el Durómetro Rockwell con un penetrador de bola de 1/16 de pulgada de diámetro. Se le aplicó una carga de 1000 Kg. Se utilizó la escala de color Roja (Escala B) para leer directamente el valor de la dureza. En este ensayo se hace una pre-carga de 10 Kg., para eliminar impurezas e imperfecciones en la superficie de la probeta a estudiar. Los resultados obtenidos fueron los esperados, ya que la superficie de la probeta de acero 1040 resistió dicha fuerza.
INTRODUCCIÓN En el ensayo de dureza lo que se busca es la resistencia que posee un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durómetros fácilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. El ensayo de dureza Rockwell se realizará con un equipo llamado durómetro el cual arroja valores de dureza sin necesidad de hacer cálculos, se tomaran tres (3) medidas y se sacará un promedio de estas durezas la cual se comparará con la escala tabulada, para este ensayo debido al material se tomara la escala Rockwell B para una probeta de acero AISI 1040. En cuanto al ensayo de dureza Brinell lo realizaremos con una máquina de ensayo portátil que hará las funciones de un sistema hidroneumático que le aplicará la carga a la probeta de manera instantánea, luego de esto se medirá el diámetro de la marca con una lupa con escala graduada en milímetros.
OBJETIVOS Objetivo General
Determinar la dureza Brinell y Rockwell de distintos materiales
Objetivos Específicos
Identificar los equipos y elementos necesarios para el ensayo de dureza
Realizar comparaciones de dureza entre distintos materiales
Conocer los distintos penetradores para realizar el ensayo de dureza
Enseñar al estudiante a elaborar los informes técnicos
MARCO TEÓRICO El ensayo de dureza juega un papel importante en la determinación de las características de un metal o aleación, y es un factor determinante en el rechazo y aceptación de los productos acabados o semi-acabados. La dureza no es más que la resistencia que opone un cuerpo a la penetración de su superficie, también está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas Aunque los ensayos de dureza son sin duda algunas funciones de las fuerzas intraatómicas, los diversos ensayos de dureza no ponen en juego estas fuerzas fundamentales de la misma manera o en la misma extensión, así que ningún método para medir la dureza indica por sí solo ninguna otra propiedad mecánica. Aunque algunos ensayos de dureza parecen estar mas estrechamente asociados que otros con la resistencia a la tensión, algunos parecen estar más estrechamente relacionados con la resiliencia, o con la ductilidad, etc. Envista de esta situación, es obvio que un tipo de ensayo dado resulte de uso práctico solamente para comparar las durezas relativas de materiales similares sobre una base estipulada. Los resultados de los ensayos de indentacion con esferas sobre el acero, por ejemplo, no poseen significado cuando se le compara con los resultados de esos ensayos a realizarse, pero sirven muy bien para evaluar la efectividad de una serie de tratamientos con calor sobre un acero dado o aun para clasificar los aceros de varias composiciones. Existen muchos métodos para determinar la dureza de los materiales, entre estos encontramos el ensayo Brinell, el cual consiste en imprimir una bolita de acero, de un diámetro determinado sobre el material a ensayar, mediante una carga y durante un tiempo preestablecido. Al suprimir la carga la probeta queda marcada con una huella en forma de casquete esférico cuyo diámetro en milímetros se mide con un microscopio. Otro método
bastante similar es el ensayo Rocwell, ya que él numero de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción del penetrador bajo una carga estática dada. Se usan varias cargas y penetradores, dependiendo de las condiciones de ensayo. Difiere del ensayo Brinell en que los penetradores y las cargas son menores, de ahí que la huella resultante sea menor o menos profunda. Es apreciable al ensayo de materiales que posean durezas que rebasen el alcance de la dureza Brinell, y es más rápido porque arroja lecturas directas arbitrarias. Se usa extremadamente en la labor industrial. La dureza es la resistencia del metal a la deformación plástica generalmente por indentación; sin embargo el término puede referirse también a rigidez o temple o a la resistencia al rayado, la abrasión o al corte. La dureza de indentación puede medirse por varias pruebas de dureza, como Brinell, Rockwell o microdureza y Vickers. El siguiente reporte tiene como objetivo fundamental aplicar el ensayo de dureza Brinell y Rocwell, para determinar la resistencia que ofrece una probeta de acero 1045 y otra de bronce centrifugado al ser indentado bajo una carga. El ensayo mecánico, estudiado en este informe es el ensayo de dureza, el cual consiste en imprimir una huella en la superficie de la muestra, esto con la finalidad de determinar la resistencia que ofrece el material a ser penetrado. Para la realización del ensayo de dureza se utilizaron dos tipos de ensayo diferentes, el ensayo de dureza Brinell y el ensayo de dureza Rockwell. El ensayo de dureza Brinell (DIN 50351) se elaboró en la máquina universal de ensayos, a la cual se le instalo un penetrador de bola de 10 mm de diámetro, el procedimiento para realizar ensayo Brinell consiste en forzar el marcador contra la muestra, aplicando una carga constante de 3000 Kg durante un tiempo de 30 seg. Para poder determinar el número de Brinell es
necesario medir el diámetro de la impresión de la huella. El diámetro de la impresión de la huella se mide por medio de microscopio que contiene una escala ocular. El número de Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de impresión.
HB
L
* D / 2 * D
Donde L: carga de prueba, en kilogramos. D: diámetro de la bola, mm d: diámetro de la impresión, mm.
D2 d 2
Ecuación #1
EQUIPOS, MATERIALES Y SUSTANCIAS
Equipos:
Materiales:
Sustancias:
INFORME TECNICO DE ENSAYO DE DUREZA UNIVERSIDAD DE ORIENTE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA II INFORME TECNICO ENSAYO DE DUREZA ENSAYO BRINELL MAQUINA UTILIZADA: MAQUINA PORTATIL DE DUREZA BRINELL CAPACIDAD DE LA MAQUINA:APRECIACION DE LA MAQUINA:TEMPERATURA DEL ENSAYO: AMBIENTE MATERIAL DE LA MUESTRA: ACERO 1040 TIPO DE PENETRADOR: BOLA DE ACERO ENDURECIDO DIAMETRO DE PENETRADOR: 10 mm CARGA APLICADA: 750 Kg TIEMPO DE APLICACIÓN: INSTANTANEO DIAMETRO DE LA HUELLA: 2,2 mm DUREZA DE LA MUESTRA: 195 HB ENSAYO ROCKWELL MAQUINA UTILIZADA: OTTO WOLPERT-WERKE (TESTER #T1a) MATERIAL DE LA MUESTRA: ACERO 1040 SIMBOLO DE LA ESCALA: TIPO DE PENETRADOR: BOLA DE ACERO ENDURECIDO DIAMETRO DEL PENETRADOR: 1/16 Pulgadas = 1,5875 mm CARGA APLICADA:DUREZA DE LA MUESTRA: 11 RB Observaciones
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RESULTADOS
Tabla # 1. Datos obtenidos de la probeta para el ensayo de dureza Brinell para el acero. Diámetro del
Probeta
penetrador(mm) 10
1
Carga P (Kg) 750
Diámetro de la huella (mm) 2.2
Tiempo (seg) Instantáneo
Tabla # 2. Datos obtenidos de la probeta sometida a un ensayo de dureza Rockwell para el Acero.
Prueba
Carga(Kg)
Escala Símbolo
Diámetro del
RB 10 12
1 2
100 100
RB RB
penetrador 1/16” 1/16”
3
100
RB
1/16”
11
Promedio
11
Tabla # 3. Cálculos de dureza Brinell a partir de la dimensión de la huella.
Dimensión
Dureza Brinell experimental
área(mm2)
HB
3.801
195
Tabla #4. Dureza Rockwell experimental de la probeta de Acero 1040.
Dureza Rockwell Promedio (RB)
Dureza convertida a Brinell
11
57
ANALISIS DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos en la práctica de dureza fueron los esperados, la probeta de acero 1040 soportó las pruebas de dureza realizadas por los dos instrumentos utilizados. El penetrador de bola de la Máquina universal de ensayo de dureza Brinell le proporcionó un diámetro de huella a la probeta de acero 1040, de 2,2 mm dando una dureza Brinell de 195 Kg./mm 2. La dureza Brinell teórica del acero 1040 es 217 Kg./mm2, lo que nos indica que la diferencia entre la dureza experimental y teórica es poca, por lo tanto el ensayo de dureza Brinell es confiable. Esta diferencia se debe a los diversos errores ocurridos durante la realización de la práctica como lo fue en la medición del diámetro de la huella de la probeta con el micrómetro ocular o en la manipulación de la máquina para suministrar la carga, ya que es un equipo portátil y puede que la manipulación por parte del operador no haya sido la correcta. En el ensayo de dureza Rockwell la probeta obtuvo varias lecturas de dureza debido a que el durómetro utilizado no está en perfectas condiciones y nos proporcionó valores muy extraños. El valor promedio de dureza Rockwell experimental es B-11. Y la dureza Rockwell teórica del acero 1040 es B-115,8. Si relacionamos ambos valores notamos que la diferencia es grande; esto pudo ser por el error de medición del durómetro y por los diferentes factores a que un experimentador está sometido en la práctica a elaborar, por ejemplo al realizar la lectura de la dureza en el durómetro. La dureza obtenida en el ensayo Rockwell de la probeta de acero 1040 se convirtió en Brinell mediante tablas de conversión, dando un valor 57HB
que al compararlo con el valor teórico notamos que la diferencia es poca, por lo tanto, nos indica que el ensayo de dureza Brinell es más exacto que el Rockwell, ya que el valor experimental de dureza Brinell convertido a dureza Rockwell es más próximo al valor teórico que el valor experimental obtenido del ensayo de dureza Rockwell. Br. Gustavo García C.I:24.829.337
ANALISIS DE RESULTADOS
Como base para el análisis de resultados, se tiene que la dureza teórica del acero tratado, en este caso acero 1040, es 217 Kg/mm2. En el ensayo, la huella proporcionada por el penetrador esférico de dureza Brinell tuvo una medida de 2.2 mm, el cual proporciona como dureza practica 195 Kg/mm 2. Si se comparan, la diferencia no sale del rango de aceptabilidad, y la diferencia es referida a la medición de huella y en la conversión de cálculos; sin embargo, recordando que la máquina de ensayo es un equipo portátil, este no constó de una base fija, si no de una manipulación completa del operador, por lo que el operador jugo el rol principal a la hora de variación en la medida, es decir en los errores. Para el análisis en el ensayo Rockwell, se realizaron 3 medidas que posteriormente se promediaron y dieron como resultado una dureza de 11 en escala Rockwell B. Que al comparar con la dureza teórica del acero 1040 en escala Rockwell B, 115.8, la diferencia es representada por una magnitud de gran escala. Dado a esta gran magnitud, se puede decir que la diferencia es debida al instrumento en cuanto a su falta de mantenimiento o calibración, más que al operador, ya que el rango de error del operador no es tan elevado, a menos que se deba una confusión a la hora de tomar la escala y esta debió haber sido Rockwell C, en vez de Rockwell B. Y si finalmente para observar cuál de las dos escalas es más exacta, primeramente se transforma la dureza Rockwell B a escala Brinell, y da un valor de 57HB, y al compararla con la dureza Brinell teórica del acero y con la dureza Brinell práctica, esta se alejó del valor teórico, por lo que confiera que el ensayo Brinell en esta práctica fue más exacto que el ensayo Rockwell, lo cual contradice la teoría. Br. Carrero Pereira, José Miguel. C.I: 24 226 609
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones
El ensayo de dureza por el método Brinell es más efectivo que por el método de Rockwell
La dureza Brinell de un acero 1040 tiene un valor aproximado a 195217.
El ensayo de dureza Brinell debe ser aplicado en materiales gruesos
sin afectar sus características mecánicas. En el ensayo Brinell el diámetro de la huella debe ser menor que el diámetro del penetrador, para que al buscar el valor de dureza con la
fórmula resulte un valor real. El ensayo Rockwell es más rápido que el ensayo Brinell ya que se lee directamente el valor de la dureza sin necesidad de realizar cálculos.
Recomendaciones
Se debe de asegurar que el penetrador de bola a utilizar esté en
óptimas condiciones, para así evitar errores en la medida. Se debe de limpiar la superficie de la probeta antes de realizar el
ensayo. En el ensayo de dureza Rockwell el experimentador debe tener mucho cuidado en el momento de liberar la carga mediante el sistema de palanca, de lo contrario el durómetro proporcionaría una lectura
equivocada. Se debe repetir las pruebas de dureza varias veces para comparar los resultados y los observar los errores. Br. Gustavo García C.I:24.829.337
Conclusiones
A mayor diámetro de la huella, la dureza del material ensayado es menor y a menor diámetro de la huella, la dureza será mayor en
cuanto al Brinell. La dureza nos da una idea general de las distintas propiedades mecánicas que posee el material ensayado que en conjunto con el
porcentaje de carbono, se tiene por ejemplo el esfuerzo máximo. Los ensayos no se pueden realizar en superficies cilíndricas o
esféricas, y/o en espesores pequeños, ya que produce errores. La variación en el error de la medida viene dado en su mayoría por el operador y la falta de mantenimiento y calibración de la máquina de
ensayo universal a la hora de medir la huella en la pieza. La dureza del elemento penetrador debe ser mayor que el de la pieza
a medir. Las huellas del ensayo Rockwell son más pequeñas que las del
ensayo Brinell. Estéticamente, el ensayo Rockwell afecta menos al material ensayado que el ensayo Brinell.
Recomendaciones
Se recomienda medir con exactitud el diámetro de la huella dejada en la probeta, ya que de esta depende el porcentaje de error en el cálculo
de la dureza Brinell. Para mayor exactitud el ensayo debe realizarse en superficies planas
y de un espesor mínimo necesario. La máquina de ensayo universal debe estar calibrada y tener un mantenimiento controlado para una mejor penetración de la pieza.
Br. Carrero Pereira, José Miguel. C.I: 24 226 609
BIBLIOGRAFÍA
APENDICES Apéndice A: Muestra de Cálculos
Para la determinación de la dureza Brinell, se utiliza la siguiente ecuación:
HB=
[
2∗P ∗ π∗D2
1
√
d2 1− 1− 2 D
]
(1.1)
Dónde: P: carga a utilizar medida en Kgf. D: diámetro de la bola (Penetrador) medida en [mm]. d: diámetro de la huella en superficie en [mm].
Al sustituir los valores nos queda que:
HB=
[
2∗(750) ∗ π ¿(10)2
1
√
( 2,2 )2 1− 1− ( 10 )2
]
=194,88≈ 195 HB
