ENSAYO DE DUREZA Gomer David García.*, Kennith Fuenmayor**, Jeison Castillo*** * Universidad Autónoma del Caribe. Barranquilla (Atl). E-mail:
[email protected] ** Universidad Autónoma del Caribe. B/quilla (Atl). E-mail:
[email protected] *** Universidad Autónoma del Caribe. B/quilla (Atl). E-mail:
[email protected]
Resumen Este informe presenta la medición de dureza de varios materiales metálicos empleando los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell. A demás se aplican los conceptos básicos sobre medidas y errores a partir de los datos tomados en cada uno de los ensayos
Palabras claves: Ensayo de Dureza Vickers, Brinell y Rockwell, deformación superficial.
Introducción La dureza da una medida de la resistencia de los materiales a la deformación plástica localizada, como pude ser la resistencia a ser rayados por otro materia más duro, o a que un penetrador o indentador genere una huella superficial cuando se aplica de forma controlada la carga. El ensayo de dureza es uno de los más empleados en la selección y control de calidad de los materiales. Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia.
Metodología Se entiende por dureza de un material la propiedad de la capa superficial para
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 (indentador o penetrador), de determinada forma y dimensiones. Para su determinación se utilizan ensayos basados en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un cuerpo más duro. Estos métodos consisten en producir una huella en el material que se ensaya aplicando sobre él un penetrador con una presión determinada, y hallando el índice de dureza en función de la presión ejercida y la profundidad o diámetro de la huella. Este penetrador va acoplado a una máquina llamada durómetro. Tres ensayos principales son utilizados para aceros: Brinell, Vickers y Rockwell.
Ensayo Brinell
Ensayo Rockwell
Método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una maquina calibrada, se fuerza una bola endurecida, bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga.
El método Rockwell es un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una maquina calibrada, se fuerza un indentador cónico esferoidal de diamante, o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga.
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 con diámetro d: HBS o HBW = √
La fuerza aplicada varía desde 10 hasta 3000 Kgf con un tiempo que oscila entre los 10 y 30 segundos. El indentador esférico puede variar desde 0.625 hasta 10 mm. Ensayo Vickers La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. Sin embargo en este caso se utiliza una carga pequeña y el indentador es un diamante en forma de piramidal de base cuadrada:
Para este caso d hace referencia a la diagonal de la huella. Las cargas pueden variar de 1 a 120 kg-f de las cuales de 30 y 50 kgf son las más usadas.
En la actualidad para determinar la magnitud de dureza mediante este método no se utilizan las relaciones matemáticas que relaciona la profundidad de la huella, ya que los indicadores de las maquinas realizan de manera automática dichas relaciones mostrando directamente el número de dureza en sus diales. Las cargas a aplicas pueden ser con una carga previa de 10 kgf y con una carga principal que varía entre 50 y 140 kgf. A continuación se presenta un cuadro comparativo de tres tipos de ensayo más utilizados para determinar la dureza de metales
Cuadro comparativo de Ensayos
Formulación i almidón-plastificante
1. Propiedades Mecánicas.
Extrusión de Película
2. Propiedades Reológicas. 3. Propiedades Físicas
Tipo de extrusora. Humedad del almidón. Forma del dado. Velocidad de rodillos. Velocidad de Enfriamiento.
Resultados A continuación se muestran las tablas con los datos experimentales obtenidos en el laboratorio
. Análisis de Resultados A partir del índice de dureza podemos con cierto grado de certidumbre determinar qué tipo de acero estamos tratando. (Para este caso no encontramos la tabla de acero inoxidable que relacionara alguno de los índices de dureza o resistencia de tensión) En aquellos casos donde las mediciones de dureza que hagamos a un mismo material nos muestre un valor de error porcentual media alto, como en el ensayo Rockwell, podemos determinar los siguientes factores:
La cara opuesta a la ensayada presenta una marca. Al ser la pieza ensayada un cilindro, no se tuvo en cuenta si el radio de curvatura no fuera menor de 5 mm. El material sufrió un tratamiento térmico que endureció de manera no uniforme la su superficie.
A partir del índice de dureza Brinell podemos hallar el índice de resistencia a la tensión o tracción mediante la relación matemática 500HB (psi)
Observamos y como era de esperarse que para un mismo material puesto a prueba en dos ensayos distintos su índice de
dureza fuera el mismo. (ver Cobre en ensayo Brinell y Vickers) Cuestionario I Explicar los factores que afectan la dureza de un material Los factores que afectan la dureza y micro dureza propiedades mecánicas de un material dependen de su composición química, procesos de mecanizado y los tratamientos térmicos a los que fue sometido. ¿Qué limitaciones Brinell?
tiene
el
ensayo
Las limitaciones que tiene el ensayo Brinell son: No puede hacerse sobre materiales muy duros o muy blandos. No es válido para probetas delgadas. Es recomendable que el espesor del material sea, al menos, diez veces la profundidad de la huella. No es apta para superficies endurecidas superficialmente. No es apta para superficies endurecidas superficialmente.
¿Qué condiciones deben cumplir las máquinas y probetas para que se considere que la prueba cumple con las exigencias de certificación internacional?
Cuestionario II
El estándar ASTM E 10 presenta las siguientes exigencias:
Limitaciones ensayo Rockwell
¿Qué limitaciones tienen el ensayo Vickers y el Rockwell? ¿Cuáles son sus principales ventajas?
Para las máquinas de medición de dureza Brinell ell diseño debe ser tal que se excluya cualquier mecimiento o movimientos laterales del indentador o de la probeta durante la aplicación de la carga. En las máquinas que usan pesos muertos para la aplicación de la carga deben evitarse las sobrecargas al momento de la aplicación de la fuerza causadas por la inercia del sistema.
Para las probetas usadas para la medición de la dureza Brinell, deben, para evitar que el efecto de la indentación aparezca en el lado opuesto de la probeta, el espesor de ésta debe ser al menos 10 veces más que la profundidad de la indentación. Cuando sea necesaria la superficie debe lijada y pulida de manera que se observen con claridad los bordes de la huella en el momento de la medición con la precisión necesaria. Se debe tener cuidado de no sobrecalentar la superficie en los procesos de pulimento.
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 5 mm. 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 3 mm.
Limitaciones ensayo Vickers
La superficie a ensayar debe estar casi pulida. La carga debe actuar durante 10 s aunque en algunos casos puede llegar hasta 30 s. En aceros dulces los valores HV pueden variar de 120 a 170, mientras que en aceros tratados
térmicamente puede variar entre 800 y 1000. En general el espesor mínimo de la probeta debe ser de 1,5 veces la longitud de la diagonal de la impresión o lo que es lo mismo 7 veces la profundidad h de penetración. Un criterio similar indicado en [6], expresa que como regla general el espesor debe ser al menos de 10h. En algunos casos el espesor de penetración puede ser tan solo de 0,065 mm por lo que el método es aplicable a piezas de poco espesor.
¿Cuál es la norma ASTM que regula estos tipos de ensayos a nivel internacional? ¿Que establece entre sus requerimientos?
Ensayo de dureza Rockwell
Ventajas del ensayo Rockwell
Método rápido y preciso, que no necesita de operarios especializados Deja huellas más pequeñas que el método Brinell.
Ventajas del ensayo Vickers Las huellas son comparables entre sí; independientes de las cargas. Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1.150 HV. Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas pequeñas, hasta espesores de orden de 0,05 mm. Puede medirse dureza superficial. (para determinar recubrimientos de los materiales La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell
Como es preciso examinar la huella puede comprobarse el estado del penetrador. Puede usarse en superficies no planas Sirve para medir todo tipo de dureza.
El estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador cónicoesferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga. El estándar ASTM E18-03 define el número de dureza Rockwell como un número derivado del incremento neto en la profundidad del indentador cuando la fuerza en el indentador es incrementada desde una fuerza previa (preliminar específica) hasta una fuerza total (específica) y luego retornada al valor de fuerza previa.
El estándar ASTM E 18-79 especifica un tiempo de aplicación de la carga principal de no más de 2s, luego del detenimiento de la palanca de aplicación, además advierte lo siguiente: en el caso de ensayarse materiales que presenten pequeño flujo plástico o no lo presenten luego de la aplicación total de la carga, la palanca debe ser retornada inmediatamente para retirar la carga principal; en el caso de flujo plástico
considerable, lo que se manifiesta en el movimiento del puntero del indicador luego del detenimiento de la palanca de aplicación de la carga, ésta debe ser retornada luego de 2s de aplicada la fuerza (detenimiento de la palanca).
En las máquinas que usan pesos muertos para la aplicación de la carga deben evitarse las sobrecargas al momento de la aplicación de la fuerza causadas por la inercia del sistema. Si el microscopio de medición está incorporado éste debe conservar la impronta en el campo óptico, luego de la aplicación de la carga.
Ensayo de dureza Vickers
El estándar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador piramidal de base cuadrada que tiene un ángulo entre caras específico, bajo una carga predeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado y se mide la diagonal resultante de la impresión luego de remover la carga. El estándar ASTM E 92 presenta las siguientes exigencias a las máquinas de medición de dureza Vickers: el diseño debe ser tal que se excluya cualquier mecimiento o movimientos laterales del indentador o de la probeta durante la aplicación de la carga.
¿Cuáles son las relaciones matemáticas entre las diferentes escalas de medición de dureza de un material? Puesto que la dureza no es una propiedad del material muy definida y debido a las diferencias experimentales de cada técnica, no se ha establecido un método general para convertir las durezas de una escala a otra, Los datos de conversión han sido determinados experimentalmente y se ha encontrado que son dependientes del tipo de material y las características. La escala de conversión más fiable que existe es la que corresponde a aceros. A continuación presentamos una tabla comparativa entre los tres ensayos usualmente utilizados.
Referencias Mecanica de Materiales, Rusell Hibbeler. 8 Ed. http://www.utp.edu.co/~gcalle/index.htm
