Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco
Profesora : Ing. Norma Julieta Martínez C. Ing. Robótica Industrial
Ensaye de Materiales
* Muñoz Rivera Alonso
Grupo: 3RM3 1
Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales (penetrador), de determinada forma y dimensiones.
En metalurgia e ingeniería, la dureza se determina presionando una bolita o un cono de material duro sobre la superficie estudiada y midiendo el tamaño de la penetración. Los metales duros se penetran menos que los blandos.
La dureza está relacionada con la solidez, la durabilidad y la resistencia de sustancias sólidas, y, en sentido amplio, este término suele extenderse para incluir todas estas propiedades.
En esta presentación, nosotros estudiaremos los ensayos de dureza destructivos en base a penetraciones.
Existen principalmente 4, pero nosotros solamente presentaremos 3,
las cuales son:
Dureza Brinell (BHN) Dureza Rockwell (Rx) Dureza Vickers (DV)
Este método de dureza fue creado por el ingeniero Juan Augusto Brinell en 1990. Consiste fundamentalmente en oprimir una esfera de acero contra una probeta manteniendo la carga durante un tiempo determinado, de acuerdo con la norma: NOM-B-1996-SCFI La norma nos indica que para una prueba estándar, se debe de utilizar una esfera de 10 mm de diámetro, con una carga de 3000 kg para metales duros y un tiempo de aplicación de 10 a 15 segundos.
Ateniéndonos a la definición, el número de dureza Brinell (como esfuerzo de contacto), es la relación de la carga P que efectúa el indentador esférico de diámetro D, al área de la superficie de la huella.
Durante la elaboración de la práctica se utilizara la siguiente ecuación:
Donde:
D = Es el diámetro del penetrador en mm. F = Es la carga aplicada en kg. d = Es el diámetro medio de huella en mm.
BHN= No. de Dureza Brinell (Brinell Hardness Number).
Para obtener la dureza Brinell de la superficie de un material se presiona contra la probeta una bola de acero con determinado diámetro D. La bola se mantiene algún tiempo bajo la carga P. Luego de retirada la carga se miden dos diámetros, en direcciones mutuamente perpendiculares, de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de los diámetros (d) y los otros valores se sustituyen en la
fórmula de trabajo para obtener el valor de la dureza Brinell. En las mismas condiciones se realizan varias penetraciones más.
Para calcular la relación entre el esfuerzo a la tensión y la dureza Brinell se utiliza la ley de Dohmer, la cual establece que:
En donde: K= Constante dependiente de la dureza Brinell teniendo dos valores: Si BHN>165; K=490
Si BHN<165; K=515
La determinación del contenido de carbono en la probeta ensayada, se calcula mediante la siguiente ecuación:
En donde: = Esfuerzo a la tensión calculado en lb/ 40000=Esfuerzo a la tensión del hierro en lb/ 100000= Constante
Máquina Mecánica-Hidráulica de Dureza Brinell marca “Akashi”
Partes:
Carátula (cada rayita equivale a 100 kg) Palanca de Carga Válvula de Descarga Balanza con platillos. Vástago fijador del porta penetrador Cuerpo en Forma de “C” Husillo
Mesa de Trabajo Volante para subir o bajar el husillo Porta penetrador con rosca (penetrador de 10 mm).
1. Se coloca la probeta sobre la mesa de trabajo. 2. Girar el volante elevando la mesa de trabajo hasta que haga contacto la probeta con el penetrador. 3. Se cierra la válvula de descarga. 4. Con la palanca se inicia el incremento de carga, la cual en este caso será de 3000 kg. El tiempo de aplicación será de 10 a 15 segundos. 5. Transcurrido ese tiempo, se abre la válvula de descarga. 6. Gire el volante en el sentido contrario a las manecillas del reloj, retire la
probeta y con el microscopio, se medirá el diámetro de huella. 7. Con el diámetro de huella y la carga aplicada, obtenga el número de Dureza Brinell con la ecuación vista anteriormente.
En la práctica se realizó el ensaye de dureza Brinell con probeta de acero, aplicándose una carga de 3000kg (ensayo normalizado), por lo que tendrá un tiempo de aplicación de 10 a 15 segundos y un penetrador de acero templado de 10 mm de diámetro.
Al ser ensaye normalizado, se tuvo que ensayar la probeta 5 veces para determinar la dureza Brinell con más precisión. Los valores obtenidos de dureza al ensayar la probeta se registraron en la siguiente tabla:
El valor de la dureza tabulada, registrada en la tabla anterior, se obtuvo de la siguiente tabla:
El método de Rockwell aunque es un método de penetración no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente proporcional a la penetración del penetrador.
Los métodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta.
Este ensaye al ser normalizado, se rige por la norma:
NMX-B-119-1983-SCFI
Este ensaye, como el de dureza Brinell, usa una maquina calibrada para presionar un penetrador de punta de diamante, con una angularidad de 120º, debido a su forma piramidal. Las cargas aplicadas durante el ensaye varían, de acuerdo a qué tipo de ensaye Rockwell se realice; si es un ensaye
Rockwell A (RA), se utilizará una carga de 60 kg, para Rockwell B (RB) se usa una carga de 100 kg, y por último el ensaye Rockwell C (RC) usa una carga de 150 kg.
El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la figura que esta a continuación:
Para las durezas RA y RC, se ocupa la escala de números negros, mientras que para durezas RB, se usa la escala de números rojos; estas escalas se encuentran en el indicador de la maquina en la cual se realiza el ensaye.
Este número es derivado del incremento de la profundidad de la huella, debido a la aplicación de una carga sobre el penetrador.
Los penetradores para determinar la dureza Rockwell son varios; uno es de “Punta de diamante” que como se había dicho anteriormente, tiene una angularidad de 120º. Otro tipo de penetrador usado es el “Penetrador Brale” y se utiliza para obtener durezas Rockwell A, C y D.
Según la norma anterior, se puede apoyar en esta tabla para poder saber el campo de aplicación de cada escala.
Para obtener la dureza Rockwell de la superficie de un material, se
presiona contra la probeta un penetrador (Brale o Punta Diamante, según sea el caso) con una carga previa, luego se aplica la carga principal para sostener la carga total durante algún tiempo. Luego de retirada la
carga principal y manteniendo la previa, se observa la escala correspondiente al tipo de penetrador, el valor de la dureza Rockwell, calculado automáticamente por la máquina. Con las mismas condiciones se realizan varias penetraciones más.
Para relacionar la dureza Brinell y la Dureza Rockwell, se va a utilizar la
“Ley de Petrenko”.
Para valores de Dureza RC, en un intervalo de 10 - 40, Petrenko obtuvo la
siguiente ecuación:
BHN=
Para valores de Dureza RC, en un intervalo de 41 - 70, Petrenko obtuvo la
siguiente ecuación:
BHN=
Para valores de Dureza RB, Petrenko obtuvo la siguiente ecuación:
BHN=
Máquina Hidráulica de Rockwell “Albert Gnehm – 100”
Partes: 1.
Carátula
2. Palanca de Carga 3. Palanca de Descarga
4. Pesas (Carga) 5. Vástago fijador del porta penetrador 6. Cuerpo en Forma de “C” 7. Husillo 8. Mesa de Trabajo 9. Volante para subir o bajar el husillo 10. Porta penetrador con rosca.
Máquina “Otto Wolpert”
Partes:
1.
Carátula
2. Palanca de Carga
3. Palanca de Descarga 4. Husillo 5. Mesa de Trabajo 6. Porta Penetrador 7. Volante para mesa de trabajo
1. Se coloca la probeta sobre la mesa de trabajo. 2. Girar el volante elevando la mesa de trabajo hasta que haga contacto la
probeta con el penetrador. 3. Con la palanca de carga se inicia el incremento de carga, la cual en este caso será de 60 kg, posteriormente se aplica la palanca de descarga.
4. Gire el volante en el sentido contrario a las manecillas del reloj, retire la probeta y con el microscopio, se medirá el diámetro de huella. 5. Con la ayuda de la carátula, dependiendo de qué dureza Rockwell sea
(A, B o C), se usa la escala roja o negra para determinar la dureza de la probeta.
1. Se coloca la probeta sobre la mesa de trabajo. 2. Girar el volante elevando la mesa de trabajo hasta que haga contacto la probeta con el penetrador. 3. Con la palanca de carga se inicia el incremento de carga, la cual en este caso será de 60 kg, posteriormente se aplica la palanca de descarga. 4. Gire el volante en el sentido contrario a las manecillas del reloj, retire la probeta y con el microscopio, se medirá el diámetro de huella. 5. Con la ayuda de la carátula, dependiendo de qué dureza Rockwell sea (A, B o C), se usa la escala roja o negra para determinar la dureza de la probeta.
En la práctica se realizó el ensaye de dureza Rockwell RA, RB, RC con probeta de acero, aplicándose una carga de 60kg, 100kg y 150kg respectivamente (ensayo normalizado). Al ser ensaye normalizado, se tuvo que ensayar la probeta 3 veces para determinar la dureza Rockwell con más precisión. Los valores obtenidos de dureza al ensayar la probeta se registraron en las siguientes tablas: Ensaye Rockwell A Orden
Tipo de Material
Tipo de Penetrador
Carga
Máquina
Dureza Rockwell
1
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
56 RA
2
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
57 RA
3
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
56 RA
En la práctica se realizó el ensaye de dureza Rockwell RA, RB, RC con probeta de acero, aplicándose una carga de 60kg, 100kg y 150kg respectivamente (ensayo normalizado). Al ser ensaye normalizado, se tuvo que ensayar la probeta 3 veces para determinar la dureza Rockwell con más precisión. Los valores obtenidos de dureza al ensayar la probeta se registraron en las siguientes tablas: Ensaye Rockwell A Orden
Tipo de Material
Tipo de Penetrador
Carga
Máquina
Dureza Rockwell
1
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
56 RA
2
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
57 RA
3
Ferroso
Punta de Diamante
60 kg
GHEHM
56 RA
Ensaye Rockwell B Orden
Tipo de Material
Tipo de Penetrador
Carga
Máquina
Dureza Rockwell
Dureza Brinell
1
Ferroso
1/16 pg
100 kg
OTTO WOLPERT
97 RB
227.57 kg/
2
Ferroso
1/16 pg
100 kg
98 RB
3
Ferroso
1/16 pg
100 kg
OTTO WOLPERT OTTO WOLPERT
99 RB
229.05 kg/
Ensaye Rockwell C Nota: En este tipo de dureza, no se ensayo la probeta, sino un buril proporcionado por la profesora Orden
Tipo de Material
Tipo de Penetrador
Carga
Máquina
Dureza Rockwell
Dureza Brinell
1
Ferroso
Punta de Diamante
150 kg
OTTO WOLPERT
65 RC
1002.4 kg/
2
Ferroso
Punta de Diamante
150 kg
OTTO WOLPERT
65 RC
3
Ferroso
Punta de Diamante
150 kg
OTTO WOLPERT
65 RC
1002.4 kg/
Es una prueba por penetración, en la cual se utiliza una máquina calibrada para aplicar una carga predeterminada compresiva libre la superficie del material bajo la acción de un penetrador piramidal con base cuadrada y un ángulo de 136º entre las caras.
Se deben de medir la longitud de las diagonales de la huella resultante después de retirar la carga.
Este numero es dependiente de la carga aplicada, la cual siempre se deberá
representar anteponiendo un numero a las letras DV. Para el cálculo de este numero de dureza Vickers, se utiliza la siguiente ecuación:
En donde:
P = Carga en kg α = Ángulo entre las caras opuestas del diamante (136º) d = diagonal media de la huella
El número seguido por las letras DV, además de un número subfijo que indica la carga y el segundo número subfijo indica la duración de aplicación de la carga cuando este último difiere del tiempo normalizado (10 a 15 segundos): 405 DV 30/20 En donde:
DV = 405 kg/ P = 30 kg t = 20 s
El ensayo al ser normalizado, se rige por la norma: NMX-B-118-1974-SCFI. Nos indica que estas pruebas pueden efectuarse desde un 1 kg a 150 Kg de carga. En la práctica el número de Dureza Vickers se mantiene constante para cargas de 5 Kg o mayores.
1.
Se oprime el botón energizando el equipo, verificando que la lámpara de iluminación encienda, verificar lo mismo en la pantalla D1 y D2 así como la caratula indicadora de la dureza Vickers.
2. Seleccione la mesa de trabajo y coloque el material a ensayar sobre la misma. 3. Manualmente gire el volante de elevación, verificar también que el microscopio este en posición de trabajo. 4. Observe el microscopio y continúe elevando la mesa de trabajo, en el momento en
que usted observe la textura del material (surcos). 5. El microscopio del lado derecho tiene una perilla moleteada con la que al girar ajusta las líneas que van a determinar la separación entre vértices. 6. Girar la torreta colocando el penetrador en posición de trabajo.
7.
Girar la torreta colocando el penetrador en posición de trabajo.
8.
Del lado derecho en la parte posterior, se tiene el selector de carga, selector de lente
(se elige el X 20), y selector de tiempo. Hay también selector de dureza HV y HK; existe control de iluminación, perilla con la cual controla la intensidad de la luz de la lámpara. 9. Se oprime el botón Zero obteniendo en las tres pantallas 0,0. 10. Oprimir el botón de Start, automáticamente la máquina efectúa la penetración apareciendo en las 3 pantallas nuevamente ceros. 11.
Se gira la torreta en sentido opuesto a las manecillas del reloj, colocando el
microscopio sobre la huella. 12.
Con ayuda del microscopio observe la huella.
13. Gire el microscopio a su posición normal, y gire el volante de husillo en sentido anti horario y retire la probeta.
Un análisis de la definición de dureza nos lleva a las siguientes conclusiones: •La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, no del material en sí. •Los métodos de dureza por penetración presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, por lo tanto la dureza puede ser cuantificada como tal. •El penetrador no debe sufrir deformaciones residuales.
Respecto a la Dureza Brinell se verificó lo aprendido teóricamente sobre una de las propiedades mecánicas de los materiales como lo es la dureza, cosas como que los aceros (materiales ferrosos) y sobre todo los aceros templados poseen una gran dureza en comparación con metales regularmente más blandos como lo son el bronce y el latón (materiales no ferrosos), dependiendo también del tratamiento térmico que se le den a los materiales. También se cumplió con los objetivos señalados, ya que los valores dieron dentro de los rangos de dureza para cada escala.
La desventaja de este tipo de ensaye de dureza es que para obtener una buena medición de dureza es necesario que no existan golpes y vibraciones en el área de trabajo, porque si las hay se corre el riesgo de obtener una medición mal y por ende consecuencias si sucede en alguna empresa.
Siendo la dureza Rockwell, otro método para determinar la dureza o la resistencia de un material al ser penetrado, se puede decir que este varía de acuerdo a los tipos de penetradores que se coloquen; clasificándolos así en Rockwell C y B. Obteniendo el valor de la dureza directamente de la carátula de la máquina GNEHM u OTTO WOLPERT, variando así directamente del tipo de material que utilicemos. También
podemos
encontrar
la
profundidad
de
la
penetración
con
los
valores obtenidos de la máquina.
Así podemos concluir que de acuerdo a los materiales y cargas utilizadas las durezas varían entre uno y otro método. Ya sea Rockwell o Brinell.
Y concluyendo con la dureza Vickers Al no poder realizar este ensaye, no se pudo aclarar al 100% lo visto anteriormente en teoría. En base a la teoría se puede concluir que la huella hecha por el marcador punta de diamante piramidal varía en proporción de la aplicación de la carga y la longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión. El tamaño de la huella hecha por el marcador depende de la dureza del material, es decir a mayor huella, la dureza es menor huella la dureza es mayor, lo cual queda ampliamente demostrado con los ensayos realizados en esta práctica.
Smith William F; Fundamentos Ciencia e Ingeniería de Materiales-Mc Graw Hill 2001
Dureza Brinell obtenido de http://html.rincondelvago.com/durezasrockwell-brinell-y-vickers.html el día 23 de Septiembre a las 16:58 pm.
