Ciencia de los materiales

1. TemaDeterminacin de la dureza Rockwell mediante un ensayo de dureza.2. Objetivos

2.1. Objetivo general Determinar la dureza de distintos metales de uso comn en la industria y construccin mediante la utilizacin de un durmetro.

2.2. Objetivos especficos Conocer las escalas de dureza ms utilizadas y sus respetivos procedimientos para la determinacin de la misma en diferentes metales. Entender para qu sirve el estudio de la dureza de los materiales y su incidencia en la industria.

3. Marco terico

3.1. DurezaLa resistencia del material a la penetracin indica su resistencia de forma cualitativa. El penetrador puede ser tanto redondeado como puntiagudo y es de un material mucho ms duro que el de la pieza que se ensaya, por ejemplo, acero endurecido, carburo de wolframio o diamante.

Figura 1. Ensayo de dureza (Fuente: Shackelford, J.)La Tabla 1 resume los tipos ms comunes de ensayos de dureza junto con las geometras caractersticas del penetrador. Los ndices de dureza empricos se calculan a partir de frmulas adecuadas que emplean medidas de la geometra de la huella creada por la indentacin. Las medidas de microdureza se realizan con la ayuda de un microscopio de gran potencia. Tabla 1. Tipos comunes de geometras del ensayo de dureza. (Fuente: H. W. Hayden, W. G. Moffat y J. Wulff, The Structure and Properties o f Materials, Vol. 3: Mechanical Behavior, John Wiley & Sons, Inc. NY, 1965.)La dureza Rockwell se emplea ampliamente y dispone de muchas escalas (por ejemplo, Rockwell B y Rockwell C) para diferentes intervalos de dureza. El poder correlacionar la dureza con la profundidad de penetracin permite mostrar convenientemente el valor de dureza en una pantalla analgica o en un aparato digital. La dureza Brinell (HBW) debido al hecho de que una nica escala da cobertura a una amplia gama de durezas de materiales ya que se puede obtener una correlacin bastante lineal con la resistencia, especialmente para una aleacin dada. La Tabla 2 proporciona los valores HBW correspondientes a diferentes aleaciones.

Tabla 2. Comparacin del ndice de dureza Brinell (HBW) con la resistencia a traccin. (Fuente: Shackelford, J.)La Figura 2a muestra una tendencia clara de HBW en relacin con la resistencia de dichas aleaciones. La Figura 2b muestra que la correlacin es ms precisa al considerar una familia de aleaciones dada. Para esta correlacin se emplea la resistencia a traccin en lugar del lmite elstico porque el ensayo de dureza lleva asociada una componente importante de deformacin plstica.

Figura 2. Ensayo (a) Representacin grfica de los datos de la Tabla 2. Se muestra una tendencia general de HBW con Rm. (b) Se obtiene una correlacin ms precisa de HBW con Rm para determinadas familias de aleaciones. (Fuente: Metals Handbook, 9th ed., Vol. 1, American Society fo r Metals, Metals Park, OH, 1978)En la Tabla 3 se proporcionan valores tpicos de dureza para diferentes polmeros.

Tabla 3. Datos de dureza para distintos polmeros. (Fuente: De las colecciones de datos en R. A. Flinn y P. K. Trojan, Engineering Materials and Their Applications, 2nd ed., Houghton Mifflin Company, Boston, MA, 1981; M. F. Ashby y D. R. H. Jones, Engineering Materials, Pergamon Press, Inc., Elmsford, NY, 1980; y Design Handbook for Du Pont Engineering Plastics.)

3.2. Escala de Mohs

Mohs, estudi qumica, matemtica y fsica. Empez a clasificar los minerales por sus caracterstica fsicas, en vez de por su composicin qumica, como se haba hecho antes. Cre la escala de dureza que todava se utiliza cmo la escala de Mohs de dureza de los minerales.La escala va desde 1 hasta 10. El diamante se encuentra en lo ms alto de la escala, con una dureza de 10, El talco es el ms blando, con una dureza de 1. Se puede utilizar los minerales de los que conoces su dureza para determinar la dureza de cualquier otro mineral. Un mineral de una cierta dureza rallar a otro mineral de dureza inferior. Por ejemplo con la ua de tu dedo (2) se puede rallar un mineral de talco (1) o con un vidrio roto (5) puedes rallar un mineral de calcita (3) o fluorita (4).

Para aplicar la escala de dureza, se intenta rallar la superficie de una muestra del mineral desconocido con una muestra de un mineral de dureza conocida que se encuentra en la escala (estas son muestras conocidas). Si la muestra desconocida no se puede rallar con un trozo de calcita (3) pero s que se puede rallar con un trozo de fluorita (4), entonces su dureza esta entre 3 y 4. Un ejemplo de minerales con una dureza entre 3 y 4 son barita, celestina y cerusita (3 a 3.5).

Tabla 4. Escalas de dureza Mohs (Fuente: http://www.mineraltown.com/)

3.3. Ensayos de dureza Rockwell

El ensayo de dureza Rockwell constituye el mtodo ms 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 utilizacin de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar virtualmente cualquier metal o aleacin desde el ms duro al ms blando. Los penetradores son bolas esfricas de acero endurecido que tienen dimetros de 1/16,1/8,1/4 y 1/2 pulg. (l,588, 3,175, 6,350, y 12,70 mm) y un penetrador cnico de diamante (Brale), el cual se utiliza para los materiales ms duros.Con este sistema, se determina un nmero de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetracin que resulta al aplicar primero una carga inicial pequea y despus una carga mayor; la utilizacin de la carga pequea aumenta la exactitud de la medida. Basndose en la magnitud de las cargas mayores y menores, existen dos tipos de ensayo: Rockwell y Rockwell superficial. En el ensayo de Rockwell, la carga menor es de 10 kg, mientras las cargas mayores son 60, 100 y 150 kg. Cada escala est representada por una letra del alfabeto.

Tabla 5. Escalas de dureza Rockwell (Fuente: Callister)

Para ensayos superficiales, la carga menor es de 3 kg, mientras que el valor de la carga mayor puede ser 15, 30 o 45 kg. Estas escalas se identifican mediante un nmero (15, 30 o 45, segn la carga) y una letra (N, T, W o Y, segn el penetrador).

Tabla 6. Escalas de dureza Rockwell superficial (Fuente: Callister)

Cuando se especifican durezas Rockwell y superficiales, debe indicarse, adems del nmero de dureza, el smbolo de la escala utilizada. La escala se designa por el smbolo HR seguido por una identificacin de la escala.1 Por ejemplo: 80 HRB representa una dureza Rockwell de 80 en la escala B, y 60 HR30W indica una dureza superficial de 60 en la escala 30W.Para cada escala las durezas pueden llegar a valores de 130; sin embargo, a medida que la dureza alcanza valores superiores a 100 o inferiores a 20 en cualquier escala, stos son poco exactos; debido a que las escalas se solapan en esta situacin es mejor utilizar la escala vecina ms dura o la vecina ms blanda respectivamente.Tambin se producen inexactitudes si la muestra es demasiado delgada, si la huella se realiza demasiado cerca de un borde, o bien si dos huellas estn demasiado prximas. El espesor de la probeta debe ser por lo menos alrededor de 10 veces la profundidad de la huella, tambin debe haber un espacio de tres dimetros de huella entre el centro de una huella y el borde de la probeta, o bien con el centro de otra indentacin. Adems los ensayos de probetas apiladas una sobre otra no es recomendable. La exactitud tambin depende de si la dureza se toma sobre una superficie perfectamente lisa.Los equipos modernos para la medida de la dureza Rockwell estn automatizados y son de muy fcil utilizacin; la dureza es medida directamente, y cada medida requiere nicamente unos pocos segundos.Los equipos modernos de ensayo tambin permiten la variacin del tiempo de aplicacin de la carga. Esta variable debe ser considerada al interpretar los resultados de los ensayos de dureza.

3.4. Ensayos de dureza Brinell

En los ensayos de dureza Brinell, as como en las durezas Rockwell, se fuerza un penetrador duro esfrico en la superficie del metal a ensayar. El dimetro del penetrador de acero endurecido (o bien de carburo de tungsteno) es de 10,00 mm (0,394 pulg.). Las cargas normalizadas estn comprendidas entre 500 y 3000 kg en incrementos de 500 kg; durante un ensayo, la carga se mantiene constante duran te un tiempo especificado (entre 10 y 30 s). Los materiales ms duros requieren cargas mayores. El nmero de dureza Brinell, HB, es una funcin de tanto la magnitud de la carga como del dimetro de la huella resultante. Este dimetro se mide con una lupa de pocos aumentos, que tiene una escala graduada en el ocular. El dimetro medido es entonces convertido a nmero HB aproximado usando una tabla; en esta tcnica solamente se utiliza una escala.Los requerimientos de espesor de la muestra, de posicin de la huella (relativa a los bordes de la muestra) y de separacin mnima entre huellas son los mismos que en los ensayos Rockwell. Adems, se necesita una huella bien definida, lo cual exige que la superficie sobre la cual se realiza la huella sea perfectamente lisa.3.5. Ensayos de microdureza Vickers y Knoop

Otras dos tcnicas de ensayo son la dureza Knoop y la dureza Vickers (tambin a veces denominado pirmide de diamante). En estos ensayos, un penetrador de diamante muy pequeo y de geometra piramidal es forzado en la superficie de la muestra. Las cargas aplicadas, mucho menores que en las tcnicas Brinell y Rockwell, estn comprendidas entre 1 y 1000 g. La marca resultante se observa al microscopio y se mide; esta medida es entonces convertida en un nmero de dureza. Es necesario que la superficie de la muestra haya sido preparada cuidadosamente (mediante desbaste y pulido) para poder asegurar una huella que pueda ser medida con exactitud.Las durezas Knoop y Vickers se designan por HK y HV, respectivamente, y las escalas de dureza para ambas tcnicas son aproximadamente equivalentes.Las tcnicas Knoop y Vickers se consideran ensayos de microdureza debido a la magnitud de la carga y al tamao del indentador. Ambas son muy convenientes para la medida de la dureza de pequeas regiones seleccionadas en la superficie de la muestra; adems, ambas tcnicas Knoop y Vickers son utilizadas para el ensayo de materiales frgiles, tales como las cermicas.

3.6. Conversin de la dureza

Es muy conveniente disponer de mtodos para convertir la dureza de una escala a otra. Sin embargo, puesto que la dureza no es una propiedad del material muy bien definida, y debido a las diferencias experimentales de cada tcnica, no se ha establecido un mtodo general para convertir las durezas de una escala a otra. Los datos de conversin han sido determinados experimentalmente y se ha encontrado que son dependientes del tipo de material y de las caractersticas. La escala de conversin ms fiable que existe es la que corresponde a aceros. Estos datos se presentan en la Figura 6.17 para las durezas Knoop, Brinell y de las dos escalas Rockwell; tambin se incluye la escala de Mohs. Como resultado de lo que se ha dicho anteriormente debe tenerse mucho cuidado al extrapolar estos datos a otros sistemas de aleaciones.

Tabla 7. Comparacin de varias escalas de dureza (Fuente: http://i43.tinypic.com/2ahfyth.jpg)

3.7. Correlacin entre dureza y la resistencia a la traccin

Tanto la resistencia a la traccin como la dureza son indicadores de la resistencia de un metal a la deformacin plstica. Por consiguiente, estas propiedades son, a grandes rasgos, proporcionales, tal como se muestra en la Figura 6.18 para la resistencia a la traccin en funcin de la HB en el caso de la fundicin, aceros y latones. Tal como se indica en la Figura 4, la relacin de proporcionalidad no es la misma para todos los metales. Como regla general, para la mayora de los aceros, el nmero HB y la resistencia a la traccin estn relacionados de acuerdo con:TS (psi) = 500 x HB (6.19a)TS (MPa) = 3,45 x HBLos ensayos de dureza se realizan con mucha mayor frecuencia que cualquier otro ensayo por varias razones:1. Son sencillos y baratos, y ordinariamente no es necesario preparar una muestra especial.2. El ensayo es no destructivo, la muestra no es fracturada ni es excesivamente deformada; una pequea huella es la nica deformacin.3. Otras propiedades mecnicas pueden ser estimadas a partir de los resultados de dureza, tales con la resistencia a la traccin.

Figura 3. Relacin entre dureza y resistencia a la traccin para el acero, el latn y la fundicin. (Fuente: Metals Hanbook: Properties and Selection, Irons and Stees, Vol 1, 9th edition, B. Bardes, Editor, American Society for Metals, 1978, p. 36 y 461; Metals Handbook : Properties and Selection : Nonferrous Alloys and Pur Metals, Vol. 2, 9th edition, H. Baker, Managing Editor, American Society for Metals, 1979, p. 327.)

4. Materiales

1 Durmetro. 1 pedazo de acero 1010 (2cm x 2cm x 2mm). 1 pedazo de acero de transmisin. 1 pedazo de varilla de construccin. 1 perno. 1 chaveta. 1 diente de pin. 1 penetrador con punta de tungsteno. 1 penetrador con punta de diamante. 1 lmina metlica graduada.

5. ProcedimientoPara empezar a realizar la prctica de dureza se deben tener bien claros parmetros iniciales, los cuales se pueden definir en base a las necesidades pero existen algunos que deben estar siempre presentes para definir claramente y precisamente la dureza del material, estos parmetros iniciales se detallarn a continuacin con un orden lgico de jerarqua: Determinar el tipo de material que se va a utilizar, es decir en el caso puntual de nuestra prctica de laboratorio sera conocer detalladamente el tipo de acero que se va a utilizar para cada uno de los ensayos de dureza a realizar, por ejemplo acero 1040. Los materiales que se van a utilizar en la prueba deben estar perfectamente lizos (lijados), para que el durmetro pueda entregarnos los datos ms exactos posibles de nuestra prctica. El durmetro siempre debe estar perfectamente calibrado para la prctica, caso contrario los datos sern errneos y en el caso de aplicacin de este ensayo de dureza para fines industriales, podra llegar a ser un factor que entregue muchas desventajas en lugar de ventajas para la maquinaria.Tomados en cuenta estos importantes aspectos anteriores a la realizacin de la prctica, se proceder a realizar dicha prctica:Para la realizacin de la prctica empezamos por la determinacin del tipo de escala Rockwell a utilizar el cual es determinado por el tipo de material al que se va a someter a la prueba de dureza, se debe conocer aspectos como el tipo de penetrador que se va a utilizar, para ello existen las tablas de ensayo de dureza en donde se explica detalladamente este proceso, y por ltimo la carga que se le aplicar a cada uno de los materiales.Definidos claramente estos parmetros se procede a realizar la prctica de dureza para los materiales.Inicialmente se utiliz para la prctica un perno de acero 1040, en el cual para el ensayo de dureza se tomaron en cuenta cuatro puntos los cuales pueden ser uno en el centro y los dems en las esquinas siendo estas escogidas en puntos que se consideren estratgicos por el usuario, cabe destacar que en el ensayo de dureza para fines ms especficos de ingeniera se deber realizar mnimo nueve pruebas de dureza para cada material siendo cada una de estas pruebas en un punto distinto a la anterior.

Figura 4: Visualizacin del ensayo de dureza en la cabeza del perno de acero 1040Se debe seguir el mismo procedimiento detallado anteriormente para cualquier material, en este caso se realiz este procedimiento para materiales especficamente conformados por diferentes tipos de acero entre ellos estn: Perno (acero 1040) Superficie templada del perno Toldo (acero 1018) Varilla (acero de construccin) Acero de transmisin Chavetero Realizados los ensayos respectivos para cada uno de estos materiales se recogieron datos iniciales (carga aplicada, escala utilizada, tipo de material, penetrador utilizado) y finales como son los datos concernientes a cada uno de los puntos estudiados del material con respecto a la escala de Rockwell; dichos datos se detallarn a continuacin en una tabla:

Tabla 8: Datos obtenidos en la prctica de dureza para cada uno de los materiales, tomando en cuenta la carga, escala, penetrador y los resultados obtenidos en la prctica.

6. Clculos

7. Anlisis

8. Aplicaciones de las pruebas de dureza

Las pruebas de dureza son tiles en relacin con el control de procesos y en investigaciones. El progreso de la operacin de recocido y los resultados del trabajo en fro pueden apreciarse con rapidez y facilidad mediante las mediciones de la dureza. As, pueden establecerse relaciones de tiempo y temperatura de recocido para materiales trabajados en fro y los lmites del endurecimiento por deformacin para las piezas recocidas que se someten al trabajo en fro. El xito o el fracaso de los ciclos de tratamiento trmico (incluyendo el endurecimiento de superficie) para el acero, se pueden evaluar midiendo la dureza despus del enfriamiento por inmersin y, de nuevo, despus del templado. Las mediciones de dureza para varias combinaciones de tiempo y temperatura ayudarn a seleccionar la combinacin ptima para el templado, asimismo permitirn descubrir la mejor combinacin de tiempos y temperaturas para el endurecimiento de aleaciones por precipitacin. Esto es particularmente importante para los materiales de composicin no ferrosa. A veces, las mediciones simples de dureza ayudan a separar coladas de componentes mezcladas, permitiendo la deteccin de materiales extraos, partes que recibieron tratamiento trmico insuficiente o que lo han recibido en absoluto.

9. Conclusiones Existen muchos beneficios al realizar un ensayo de la dureza de los materiales, entre estos el ms importante es que este ensayo de dureza de materiales nos permite reconocer la resistencia de los materiales a la penetracin de otro material ms duro; el ensayo de dureza es altamente utilizado en estudios avanzados de resistencia de materiales ya que con este los ingenieros al momento de realizar cualquier tipo de mquina pueden determinar qu tipo de material es el ms adecuado para su uso en la maquinaria.

10. Recomendaciones Siempre tener en cuenta la calibracin y perfecta utilizacin de los materiales del laboratorio para as poder recoger datos certeros de la prctica. Tomar en cuenta que se debe utilizar una determinada carga y un especfico tipo de penetrador para cada uno de los materiales a estudiar.

11. Bibliografa Callister, W. D. (2002). Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales (Vol. 1). Revert. Shackelford, J. (2005). Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros. Espaa: Pearson Smith, W. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales. Colombia: Mc Graw Hill. Askeland, D. (2004). Ciencia e ingeniera de los materiales. Mxico: Thomson. Escala de Mohs de dureza de los mineralesEnlace web: http://www.mineraltown.com/InfoColeccionar/DUREZA_ESCALA_DE_MOHS.htm [Recuperado: 7 de julio de 2015] Materiales de construccinEnlace web: http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/durezam4.htm [Recuperado: 7 de julio de 2015]

12. Anexos Figura 5. Medidor de durezaFigura 6. Probeta acero 1030 Figura7 . Probeta acero 1040Figura 8. Penetrador de diamante

Figura 10: Ensayo con el Chavetero.