Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)
Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica CURSO
: Metalurgia Física
TEMA
: Esclerometria y Dureza Rockwell
PROF.
: Ing. Edgardo Tabuchi Matsumoto
INTEGRANTES : Aceituno Cruz, Luis Campos Espinoza, Rodolfo
2017
ESCLEROMETRIA O ENSAYO DE MARTILLO SCHIMDT 1. INTRODUCCIÓN Ideado en un principio para estimar la resistencia a compresión simple del concreto, el martillo de Schmidt se ha modificado convenientemente dando lugar a varios modelos, alguno de los cuales resulta apropiado para estimar la resistencia a compresión simple de la roca (RCS). Su uso es muy frecuente dada la manejabilidad del aparato, pudiendo aplicarse sobre roca matriz y sobre las discontinuidades (resistencia de los labios). EL ensayo consiste en medir la resistencia al rebote de la superficie de la roca ensayada. La medida del rebote se correlaciona con la resistencia a compresión simple mediante un gráfico debido a Miller (1965) que contempla la densidad de la roca y la orientación del martillo respecto del plano ensayado. 2. TIPOS DE MARTILLO En la práctica común se utilizan dos tipos de martillo, el tipo L con una energía de impacto de 0.735 N.m y el tipo N con una energía de impacto de 2.207 N.m. Los rebotes medidos con estos martillos se denotan con los símbolos RL y RN, respectivamente. Ambos martillos proporcionan buenos resultados para valores de compresión simple de la roca o la discontinuidad ensayada dentro del rango 20‐150 MPa. Previamente al año 2009, ISRM recomendaba únicamente el martillo de tipo L; ahora los dos están permitidos (Aydin 2009). El martillo tipo N se usaba mayoritariamente para concreto. Sin embargo es menos sensible a las irregularidades de la superficie ensayada y sería por tanto preferible para la realización de ensayos de campo. La norma ASTM no especifica el tipo de martillo. Ayday y Göktan (1992) obtuvieron, de acuerdo al procedimiento de toma de datos sugerida por la recomendación ISRM (1978c), la siguiente correlación empírica entre los números de rebotes de ambos martillos: RN = 7.124 + 1.249 RL (r2 = 0.882) siendo RN y RL el número de rebotes proporcionado por un martillo tipo N y L, respectivamente; y r2, el coeficiente de determinación lineal. 3. DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El martillo de Schmidt (Fig. 1) es un dispositivo mecánico usado para realizar ensayos no destructivos en materiales como el concreto o roca.
sus componentes
Fig.2. Principio de funcionamiento del martillo Fig. 1. Sección longitudinal a través del martillo mostrando Consiste básicamente en un vástago que lleva conectado un muelle. Se coloca el vástago sobre la roca y se introduce en el martillo empujándolo contra la roca, lo que da lugar a que se almacene energía en el muelle que se libera automáticamente cuando esa energía elástica alcanza un cierto nivel y lanza una masa contra el vástago. La altura que alcanza esta masa al rebotar, que se mide en una escala graduada de 0 a 100, es directamente proporcional a la dureza y por tanto a la resistencia a compresión simple de la superficie de la roca (Fig. 2). 4. PROCEDIMIENTO DE MEDIDA El martillo únicamente se debe usar en las superficies de los materiales a ensayar y en el yunque de prueba. En el caso de ensayos in situ, el desarrollo del ensayo consiste en una preparación de las zonas elegidas, eliminando la pátina de roca meteorizada. Para alisar la superficie de ensayo se utiliza una piedra de amolar (Fig. 3).
Fig. 3. Preparación de la superficie de ensayo
Para la ejecución del ensayo, se realizan los siguientes pasos: • •
Posicionar el martillo perpendicularmente a la superficie de la roca ensayada. Disparar el vástago o punzón de impacto [1] empujando el martillo hacia la superficie de ensayo hasta que el botón [6] salte hacia fuera
(Fig. 4). • •
Pulsar el botón para bloquear el vástago de impacto después de cada impacto. A continuación, leer y anotar el valor de rebote indicado por el puntero [4] en la escala [19].
Fig. 4. Ejecución del ensayo
Para la realización de ensayos sobre testigos de roca obtenidas en la perforación de sondeos se utiliza una base especial de acero (Fig. 5), de 20 kg de peso para los ensayos con martillo tipo L, sobre la que se apoya la probeta de roca cilíndrica de diámetro mínimo 54 mm (NX) y longitud superior a 100 mm (ISRM). Para los ensayos con martillo tipo N, ISRM sugiere un diámetro igual o superior a 84 mm (T2) y que la base tenga un peso de 40 kg. Para calibrar el martillo se utiliza un yunque de prueba. Se recomienda realizar esta prueba de funcionamiento cada vez que se utilice el dispositivo. Si no se dispone del yunque de prueba se recomienda enviarlo al fabricante para su chequeo después de realizar 1000 impactos o cada 3 meses.
Fig. 5. Soporte para testigos de roca
Para la ejecución de la prueba de funcionamiento se deben realizar los siguientes pasos: • • •
Colocar el yunque de prueba (Fig. 6) en una superficie dura y lisa. Limpiar las superficies de contacto del yunque y del vástago de impacto. Ejecutar 10 impactos con el martillo y comprobar los resultados comparándolos con el valor de Calibración especificado en el yunque de prueba.
Fig. 6. Yunque de prueba
El factor de corrección (FC) se debe aplicar a todas las lecturas obtenidas en los ensayos y se calcula como:
De esta manera se tiene en cuenta la pérdida de rigidez del muelle del martillo con el paso del tiempo. Mediante el martillo de Schmidt, o esclerómetro, se puede, por tanto, estimar la resistencia a compresión simple de la roca a partir de la resistencia al rebote de la superficie de roca ensayada. Como se ha comentado anteriormente, esta superficie deberá estar fresca y limpia, sin ningún signo de alteración ni fracturas.
Esta medida del rebote se correlaciona con la resistencia mediante el gráfico de Miller (Fig. 7) que tiene en cuenta la densidad de la roca y la orientación del martillo respecto al plano de roca ensayado.
Fig. 7. Gráfico de correlación para el martillo Schmidt entre resistencia a compresión, densidad de la roca y rebote (Miller, 1965)
El valor estimado a partir del martillo de Schmidt debe ser obtenido estadísticamente, de tal manera que sea un valor representativo. ISRM recomienda tomar 20 lecturas en diferentes zonas con la opción de parar cuando alguna de las lecturas siguientes a las diez primeras difiera de la inmediatamente anterior un máximo de 4 golpes. La norma ASTM recomienda tomar 10 lecturas. ISRM (1978c) sugiere utilizar el promedio de las diez lecturas con valores más altos. La ASTM recomienda descartar las lecturas que difieran más de 7 golpes del promedio y después promediar las restantes. La ISRM revisada sugiere no descartar ninguna lectura y presentar los valores obtenidos mediante un histograma de frecuencias que incluya el promedio, mediana, moda y el rango. Con el valor medio obtenido y conociendo la densidad de la roca se entra en el gráfico de Miller, obteniéndose el valor de resistencia a compresión para el material ensayado. Con los valores obtenidos se puede clasificar la roca por su resistencia (Fig. 8).
Descripción
Resistencia a compresión
Extremadamente blanda
< 1 MPa
Muy blanda
1‐5 MPa
Blanda
5‐25 MPa
Moderadamente blanda
25‐50 MPa
Dura
50‐100 MPa
Muy dura
100‐250 MPa
Extremadamente dura
> 250 MPa
Fig. 8. Clasificación de la resistencia según la ISRM
La siguiente tabla (Fig. 9) muestra valores típicos medidos en diferentes tipos de roca con un martillo Schmidt tipo L. Tipo de roca
RL
Andesita Arenisca Basalto Caliza Creta Cuarcita Diabasa Dolomía Esquisto Gabro Gneiss Granito Limolita Lutita Marga Mármol Peridotita Prasinita Sal Serpentinita Toba Yeso
28‐52 30‐47 35‐58 16‐59 10‐29 39 36‐59 40‐60 29‐41 49 48 45‐56 47 15 18‐39 31‐47 45 41 23 45 13‐40 30‐44
Fig. 9. Valores típicos de número de rebotes medidos con martillo tipo L para diferentes rocas
Igualmente, mediante la aplicación del martillo de Schmidt tipo L sobre una discontinuidad se puede obtener la resistencia a compresión simple de los labios de la discontinuidad (JCS). En este caso, se indicará expresamente que son valores de resistencia medidos sobre la superficie de la discontinuidad. En general, el valor de JCS que se obtenga para una determinada discontinuidad deberá ser inferior a la resistencia a compresión simple de la roca sana, de forma que en general se podrá
estimar JCS como la resistencia a compresión simple del material sano dividida entre una constante que se aproximará a 2.5 para rocas densas, a 5 para rocas intermedias y que llegará a 10 para el caso de rocas porosas.
DUREZA ROCKWELL Al igual que en el ensayo Brinell la dureza se determina en función del grado de penetración de la pieza a ensayar a causa de la acción del penetrador bajo una carga estática dada. Difiere del ensayo Brinell en que las cargas son menores y los penetradores más pequeños por lo que la impronta será menor y menos profunda. Además el ensayo Rockwell no requiere la utilización de formula alguna para la determinación de la dureza. Esta se obtiene directamente del dial indicador de la máquina ya que la misma está dada por el incremento de profundidad de penetración debido a la acción del penetrador, el cual puede ser una bolilla de acero o un cono de diamante. En la operación, la cual se muestra esquemáticamente en la Fig. 5, se aplica inicialmente una carga de 10 kg la cual causa una penetración inicial A que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. El indicador de la máquina se pone en cero, es decir se toma la línea de referencia a partir de la cual se medirá la indentación y se aplica la carga adicional, la que generalmente es de 50 o 90 kg cuando se utiliza como penetrador una bolilla de acero y es de 140 kg cuando se utiliza el cono de diamante.
Al aplicar la carga adicional el material fluye plásticamente, resultando una penetración total B. Posteriormente, se retira la carga adicional, permitiendo la recuperación elástica del material resultando una penetración final C. Una vez que la carga principal se retira, el valor de dureza se lee directamente del indicador de la máquina y dependerá de la penetración h dada por la diferencia entre la línea de referencia A y la línea final C. En las máquinas con sistema de indicación analógico la carátula lleva dos grupos, que difieren por 30 números de dureza, en los que se agrupan las diferentes escalas correspondientes al método, véase la Fig. 6.
Uno de los grupos corresponde a las escalas que utilizan el penetrador esférico, mientras que el otro corresponde a las que utilizan el cono de diamante. Las escalas Rockwell tienen divisiones de 0,002 mm, es decir la diferencia de penetración entre lecturas HRB = 53 y HRB = 56 es de 0,006mm. Como las escalas están invertidas un número más alto implica mayor número Rockwell el cual está dado por: 𝐻𝑅 = 𝐸 − ℎ Donde E es el número total de divisiones de la escala y h es el incremento de penetración. 1. CARGAS, PENETRADORES Y ESCALAS Como se explicó la carga aplicada resulta de una inicial cuyo valor es de 10 kg en todos los casos y otra adicional de 50, 60, 90 o 140 kg, de acuerdo al material a ensayar. Por otro lado, también se mencionó que los penetradores pueden ser bolillas de acero o bien un cono de diamante cuya punta tiene radio de 0,2mm y un ángulo de 120º. De esta manera es posible obtener distintas combinaciones de cargas y penetradores; en la actualidad existen 15 combinaciones o escalas distintas que se identifican con las letras A, B, C, D, etc. En la tabla se muestran las 15 escalas con sus combinaciones de carga y penetrador.
Por este motivo en el número de dureza debe indicarse la escala utilizada, de esta forma HRC significa dureza Rockwell escala C (cono de diamante y una carga total de150 kg). Cuando se ensayan materiales muy blandos se utilizan bolillas de 1/8 y 1/2 con cargas de 60, 100 y 150 kg. 2. Empleo útil de los penetradores: La gama útil del penetrador esférico de 1/16 en la escala B va desde un valor de 10 hasta 100 ya que para valores mayores, se puede deformar la bolilla. Para estos casos se recomienda el empleo del cono de diamante con una carga de 150 kg (escala C). Para valores inferiores a HRB = 10 se deberá utilizar bolillas de mayor diámetro o bien la de 1/16 con una carga total de 60 kg. La escala E se utiliza para piezas fundidas y materiales muy blandos. Esta escala trabaja con un penetrador esférico de 1/8” y con una carga de 100 kg. Cuando el material a ensayar admite más de una escala se recomienda emplear aquella que utilice la bolilla de menor diámetro para tener así una mayor sensibilidad. El criterio opuesto debe seguirse si se ensayan materiales poco homogéneos ya que la esfera de mayor diámetro permite obtener una dureza promedio por afectar una mayor superficie.
En la tabla 8 se detalla el empleo útiles de cada una de las escalas.
3. Condiciones de ensayo: Muchas de las consideraciones y precauciones a tener durante el ensayo son las mismas que se mencionaron para un ensayo Brinell. Así por ejemplo la cara a ensayar debe ser lisa y plana, la carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta, la cual no debe moverse durante el ensayo. El espesor de la probeta no debe ser menor de 10 veces el incremento de penetración (10h) cuando el penetrador es el cono de diamante y 15 veces (15h) cuando el penetrador es una bolilla. El ensayo debe ser descartado si la cara opuesta a la ensayada presenta una marca por pequeña que sea, ya que esto implica que el apoyo soportó parte de la carga. Cuando se ensayan piezas cilíndricas su radio de curvatura no debe ser menor de 5mm. En general en estos casos el valor de dureza obtenido disminuye en función del diámetro del material y la norma ASTM E18 da los valores a adicionar a los resultados obtenidos en el ensayo. El valor de dureza debe resultar del promedio de por lo menos tres mediciones las que deberán efectuarse a una distancia de no menos de 3mm. 4. DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL: La dureza Rockwell superficial es una extensión del método, en el que las escalas surgen de las combinaciones de los mismos penetradores, el cono de diamante y las mismas bolillas, con cargas menores. En este caso se utiliza una carga inicial de 3 kg y cargas adicionales de 12, 27 y 42 kg.
La dureza superficial con el cono de diamante puede emplearse en piezas extremadamente delgadas tales como hojas de afeitar, o bien en aquellas que han sido endurecidas superficialmente en una capa de muy delgado espesor, como es el caso de los aceros nitrurados o cementados. Con los penetradores esféricos se pueden ensayar los aceros blandos, bronces, etc. La máquina de ensayo tiene una escala única dividida en 100 partes iguales, correspondiendo cada división a 0,001mm, lo que hace a un rango total de penetración de 0,1mm. En este caso las combinaciones entre penetradores y cargas se distinguen con subíndices, constituidos por el valor de la carga total en kg y las letras N, T, W, X e Y. De esta manera para indicar las condiciones de ensayo es necesario indicar la carga empleada y la escala, de manera que HR30N significa dureza Rockwell superficial – carga: 30 kg – penetrador: cono de diamante HR45T significa dureza Rockwell superficial – carga: 45 kg – penetrador: bolilla 1/16”. La escala N se emplea, en general en los material indicados para las escalas A, C y D del método estándar; la T reemplaza a las B, F y G y las W, X e Y se usan en metales muy blandos. En la Fig. 7 se muestra en forma esquemática y a modo de comparación las improntas que resultan de los ensayos de dureza Brinell, Rockwell estándar y Rockwell superficial.
5. EL CICLO DE MEDICION: El ciclo de medición en un ensayo de dureza Rockwell, se puede dividir en 8 pasos, como se muestra en la Fig. 8. La velocidad de ejecución de cada uno de ellos tiene influencia sobre el valor de dureza que se obtiene. A continuación se indica para cada paso el factor que afecta la medición: 1. velocidad del indentador en el punto de contacto con el material que se ensaya. 2. velocidad de aplicación de la fuerza inicial. 3. tiempo de permanencia de la fuerza inicial. Es el tiempo que la fuerza inicial permanece a valor constante antes de que la línea base de referencia de la indentación sea tomada.
4. velocidad de aplicación de la carga adicional. 5. tiempo de permanencia de la carga total. Es el tiempo que permanece toda la carga aplicada sobre el material que se ensaya. 6. velocidad con que se retira la carga adicional. 7. tiempo de recuperación elástica del material. Es el tiempo que existe entre que se retira la carga adicional y se mide la profundidad de indentación. 8. velocidad con que se retira la carga inicial. Los efectos de cada uno de los pasos sobre el valor de dureza que se obtiene pueden ser incluidos en dos grandes grupos: 1) Efectos de la velocidad del indentador o velocidad de crecimiento de las fuerzas. En este grupo se encuentran los pasos 1, 2, 4, 6 y 8. 2) Efectos del tiempo de permanencia. Que agrupa los efectos de la duración de los pasos 3, 5 y 7. Salvo el paso ocho que no tiene influencia alguna, las variaciones en los tiempos de los pasos del primer grupo influyen sobre el valor de dureza que se obtiene, en particular el cuarto paso. Los efectos en este caso se deben a la sensibilidad del material a la velocidad del indentador o a efectos dinámicos en el indentador tales como sobrecargas o vibraciones producto de los cambios extremadamente rápidos en la fuerza. Los efectos de los pasos agrupados en el segundo grupo se deben al efecto creep y la recuperación elástica del material que se ensaya, que ocurren en los periodos en los que la fuerza es constante. Los efectos de los tiempos de permanencia de los pasos 3, 5 y 7 son más influyentes en valor de dureza obtenido que lo efectos asociados a la velocidad de crecimiento de las fuerzas, siempre y cuando esta última no sea exageradamente alta.
Para cada uno de los tiempos mencionados, la razón de cambio del valor de dureza obtenido (dureza aparente) es mayor para tiempos de permanencia cortos, disminuyendo a medida que los tiempos aumentan.
En general el valor de dureza obtenido está principalmente afectado por el tiempo de permanencia de la fuerza total, seguida del tiempo de permanencia de la carga inicial y por último el tiempo de recuperación. Además esto varía con la dureza del material que se ensaya.
