Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Esc. Ingeniería Civil Materiales de Construcción Ing. Gabriel Ordoñez Sección Q 22/02/10
Tipos de Dureza Para Distintos Materiales
Axel Antonio Guzmán Abril 200818913
INTRODUCCION Es necesario muchas veces determinar las propiedades de los materiales para poderlos aplicar en diferentes situaciones, esta es la finalidad de los ensayos realizados en el laboratorio. Uno de los ensayos más importantes de determinación de propiedades mecánicas es el ensayo de dureza. El ensayo de dureza es circunstancial ya que depende de que material se este ensayando, en que posición y para que propósito. Es por eso que existen varios tipos de ensayos de dureza, entre los cuales los más importantes son: la dureza Brinell, Rockwell, Shore, de madera, etc. Otro de los ensayos mas importantes, son los de impacto que servirán también para determinar propiedades fundamentales de los materiales. Entre los mas importantes de ellos están: Prueba de Charpy y el de Izod. En esta investigación se buscara dar una breve explicación a cada uno de ellos para una mejor comprensión, visualización y aplicación.
MARCO TEORICO Ensayos de Dureza: Dureza Brinell Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material.
La bola penetra dejando una marca El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión:
Donde: : carga a utilizar medida en [kp]. : Constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). : Diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.
Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuación:
Donde: : carga a utilizar medida en [kp]. : Diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. : Diámetro de la huella en superficie en [mm]. Valores típicos El valor HB suele ser menor que 600.
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Acero (blando): 120 HB Acero de herramientas: 500 HB
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Acero inoxidable: 250 HB
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Aluminio: 15 HB
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Cobre: 35 HB
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Madera: entre 1 HB y 7 HB
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Vidrio: 550 HB
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Dureza Rockwell: La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros. El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza
directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material. Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería hacerse un cambio de escala. Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente fórmula:
Dónde: • •
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n es la carga aplicada en kg HR es el identificador del ensayo Rockwell Letra va seguida de HR y es la letra correspondiente a la Escala usada
Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala B sería
O para un material superficial que se le ha aplicado un esfuerzo de 30 kg con bola de 1/8 pulgadas
Dureza Shore (Se realiza principalmente para materiales con alta plasticidad: caucho, hule, etc.): Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide.
La práctica se realiza en un "esclerómetro" o "escleroscopio", aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 g. La altura de la caída es de 254 mm y la escala esta dividida en 140 divisiones. Condiciones de ensayo 1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerómetro. 2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque). Ventajas del método Shore 1. No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado. 2. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas. 3. Es el único ensayo NO destructivo para medir durezas. Método Dinámico para ensayo de la dureza al rebote (L) Este método se basa en las medidas de las velocidades de impulsión y rebote de un cuerpo móvil impulsado por un resorte contra la superficie del material metálico a ensayar. Existen curvas de relación de L con HB (Dureza Brinell) y HRC (Dureza Rockwell al utilizar el cono de diamante). El tiempo de ensayo es de 2 s y el durómetro puede estar en cualquier posición (horizontal, vertical, inclinado...), basta con luego restar al resultado 10 si estaba horizontal, y diferentes valores (18-26) si estaba invertido. Dureza pendular Se basa en la resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. Sirve para materiales con reacción elástica muy alta. Consiste en 2 péndulos, uno se apoya sobre un eje de cuarzo y el otro sobre el material a ensayar. Se dejan caer y empiezan a oscilar, como son diferentes materiales tienen diferentes durezas, luego hay una descompensación de oscilaciones, cuando las oscilaciones coinciden de nuevo se mide el tiempo que han tardado en coincidir y luego con ese tiempo se traduce a la dureza correspondiente. Método UCI Es un aparato portátil, con un penetrador piramidal de 136º entre caras de diamante. Se coloca el penetrador que vibra con una frecuencia y una carga de 5 kp. Según la huella que produce se genera una frecuencia de resonancia, que es traducida por el aparato al dato numérico de la dureza que se halla seleccionado, puesto que nos puede dar cualquiera (HBS, HRx, HV,...). Existe una relación directa entre la frecuencia de resonancia y la dureza del material. •
Relación de HBS con HRb y HRc.
Fórmulas empíricas de tolerancia ±10% Con esto quedan explicados los ensayos de dureza para cualquier tipo de material, al no haber podido encontrar nada acerca de los ensayos de dureza en los materiales plásticos
Una cubierta vehicular, uno de los muchos objetos de goma o polímero categorizados por su dureza durómetro; típicamente van de 50A a70A, dependiendo de su aplicación.
Dureza en la madera: La dureza en la madera se determina mediante un procedimiento bastante sencillo. Se trata de promediar la carga aplicada para que la bola de identacion haya penetrado medio diámetro dentro de la madera. Las huellas de identacion se aplican en base a 3 ejes principales: •
Eje Axial: es paralelo a las fibras de la madera.
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Eje Tangencial: Es perpendicular a las fibras de la madera.
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Eje Radial: Es perpendicular a las fibras de la madera y perpendicular a las orientaciones radiales de las fibras.
Ensayos de Impacto: Ensayo Charpy: Para poder seleccionar un material que resista un choque o golpe intenso y repentino, debe medirse su resistencia a la ruptura mediante una prueba de impacto. Se han diseñado procedimientos de ensayo, incluyendo, el ensayo Charpy. El cual consiste en una muestra del material que se va a ensayar, en forma de una barra cuadrada, la cual puede contener o no una muesca en forma de V, ya que éstas miden de mejor manera la resistencia del material a la propagación de la fractura. Tal muestra se golpea con un péndulo oscilante, calibrado y así, se obtiene la energía absorbida. En el ensayo, el péndulo, parte de una altura ho, gira describiendo un arco, golpea y rompe la muestra del material, alcanzando una elevación final hf. Conociendo la elevación inicial y final del péndulo, se puede obtener la diferencia de energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbido por la muestra durante la ruptura. La energía se expresa
generalmente en pie-libras (pie.lbf) o joule (J), donde 1 pie.lbf =1.356J, esta energía corresponde al área bajo la curva de la gráfica esfuerzo deformación. La capacidad de un material para resistir el impacto suele denominarse tenacidad del material. La temperatura también juega un papel muy importante en cuanto al ensayo Charpy, ya que: A mayor temperatura es mayor la energía para romper el material, y con poca temperatura, el material, se fractura con poca energía absorbida. A temperaturas elevadas el material se comporta de manara dúctil con gran deformación y estiramiento antes de romperse. A temperaturas reducidas el material es frágil y se observa poca deformación en el punto de fractura. La temperatura de transición es aquella a la cual el material cambia de presentar una fractura dúctil a una frágil. La prueba Charpy no da respuestas muy satisfactorias, razón por la cual el Laboratorio de Investigación Naval ha desarrollado una prueba llamada Ensayo de desgarramiento dinámico. Energía de Impacto: ho - hf Unidades: pie, lbf, J
Prueba de la fuerza de impacto Izod:
Prueba de la fuerza de impacto de Izod, es ASTM método estándar de determinar fuerza de impacto. Una muestra hecha muescas en se utiliza generalmente para determinar fuerza de impacto. El impacto es un fenómeno muy importante en gobernar la vida de una estructura. En el caso del avión, el impacto puede ocurrir por el pájaro que golpea el plano mientras que está cruzando, durante saca y el aterrizaje allí es impacto al lado de la ruina presente en el cauce Se lanza un brazo sostuvo en una altura específica (energía potencial constante). El brazo golpea la muestra y la rompe. De la energía absorbida por la muestra, se determina su fuerza de impacto. La prueba de impacto de Izod diferencia de Prueba de impacto de Charpy en ésa la muestra se sostiene en una configuración cantilevered de la viga en comparación con una configuración de flexión de tres puntos. Esta prueba se puede también utilizar para determinar la sensibilidad de la muesca.
CONCLUSIONES
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Se determinan las aplicabilidades de cada uno de los ensayos realizados, ya que al ser varios, cada uno es bastante eficaz en un área determinada.
Es imprescindible en conocimiento de cada uno de los ensayos desarrollados anteriormente para la eficiencia del ingeniero en el desempeño de sus labores.
BIBLIOGRAFIA
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