practica nº 1 ensayo de dureza
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Primera práctica de laboratorio de Ciencias de los Materiales de la UNEFMTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”
COMPLEJO ACADÉMICO PUNTO FIJOAREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN
CÁTEDRA: LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES
PRÁCTICA Nº 1:
ENSAYO DE DUREZAI. OBJETIVO GENERAL:
Realizar ensayo de dureza a diferentes materiales (acero templado y acero no
templado).
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Aprender a manejar los durómetros.
Capacidad para seleccionar el tipo de ensayo a utilizar y medir la dureza a
diferentes materiales según su clasificación de normas AISI - SAE.
Analizar las variaciones de dureza en los aceros sometidos a temple con
respecto a los no templados.
Aprender a utilizar las tablas de dureza.
II. INTRODUCCIÓN
El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados
en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente la dureza es
una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad
fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos procedimientos.
El más usado en metales, es la resistencia a la penetración de una herramienta de
determinada geometría.
Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente
por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de
aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La
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UNEFM
elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como
tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.
Esta práctica tiene como finalidad indagar en el conocimiento y utilización del
método Rockwell para determinar la resistencia de un material a la penetración. El
índice de dureza de una muestra se puede conseguir mediante una prueba o ensayo
de dureza, que generalmente es realizada imprimiendo en la muestra, la que está
en reposo sobre una plataforma rígida, un indentador de geometría determinada,
bajo una carga estática conocida que se aplique directamente o por medio de un
sistema de palanca. Dependiendo del sistema de prueba, la dureza se expresa por
un número inversamente proporcional a la profundidad de la indentación para una
carga y marcador especificados.
El ensayo de dureza Rockwell se aplica a materiales más duros que la escala
Brinell. En este ensayo se usan penetradores de carburo de tungsteno como bolas
de 1/16 de pulgadas, 1/8,1/4 y 1/2 de pulgada, este último para materiales más
blandos y en cono de diamante cuyo ángulo en la base es de 120º. Ensayo
Rockwell B diseñado para materiales de dureza intermedia como aceros de medio
y bajo carbono. Su indentador es la bola de 1/16 pulgada, cuya carga es de 100
Kg., su escala va de 40 a 100 RB. Este último ensayo será el empleado en la
actividad experimental. La prueba Brinell, se originó en honor al Ingeniero sueco
Johann Brinell, quien inventó la máquina de Brinell para medidas de dureza de
metales y aleaciones.
III. BASES TEÓRICAS:
La dureza se puede definir como la resistencia del material a ser penetrado por
otro de dimensiones cuya forma están normalizadas. El término dureza también
puede referirse a la resistencia al rayado, la abrasión o al corte y a la deformación
plástica.
El principio de los ensayos de dureza consiste en aplicar y comprimir
progresivamente sobre una probeta o una pieza la acción de una carga estática
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conocido como penetrador de forma determinada. Generalmente el ensayo más
usual de este tipo es el de Indentación, en el que un indentador punteado o
redondeado se presiona dentro de una superficie (probeta) bajo una carga
sustancialmente estática.
La dureza por indentación puede medirse por varias pruebas, tales como: Brinell,
Rockwell, Vickers y Knoop; pero las más usuales son la de Brinell Y Rockwell.
Ensayo de dureza: El principio de los ensayos de dureza consiste en
aplicar y comprimir progresivamente sobre una probeta o una pieza la
acción de una carga estática conocido como penetrador de forma
determinada.
Características (Ensayo de Dureza):
Es el más práctico para el control de propiedades de un metal y
especialmente para el control de tratamientos térmicos.
No hay comparación exacta ante la escala de un método y otro.
El número es inversamente proporcional a la profundidad de la
penetración.
Ensayo de Dureza HR (Hardness Rockwell):
Es el ensayo que determina la dureza en función de la profundidad de
penetración, son las escalas más usadas industrialmente, debido a que la
lectura se realiza directamente.
HRC = Si se utilizó la escala c (cono)
HRb = Si se utilizó la escala b (bola)
Dureza Rockwell:
15 - 30: Blando
30 - 50: Semi-duro
50 en adelante: Duro
Medida de la dureza Rockwell: La dureza Rockwell se mide
produciendo en el material una huella con un penetrador, que puede ser:
Un cono de diamante de 120º de ángulo
y punta redonda
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Bolas de acero.
Características (HR):
Se debe realizar un desbaste grueso en la parte donde se va a
realizar el ensayo (lija 80).
Como la lectura es directa se recomienda tomar tres impresiones
para obtener un promedio más exacto.
Ventajas (HR) :
Es rápido y sencillo de realizar.
Se aplica a materiales con espesores muy delgados.
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Se aplica tanto a materiales duros como delgados.
Ensayo de Dureza HV (Hardness
Vickers): Se determina midiendo la huella dejada después de la prueba por un
indentador en forma de pirámide de base cuadrada con un ángulo inclinado de
136º entre caras opuestas.
P = Carga (Kg.)
D = Diagonal de la huella
Características (HV): El desbaste donde se va a realizar el ensayo
tiene que pasar por la lija Nº80 hasta la Nº600. Se puede hacer la preparación
metalográfica para mayor exactitud en el ensayo.
Ventajas (HV):
Puede emplearse con varias cargas reduciendo la penetración
de huella.
Puede utilizarse en el ensayo de piezas sumamente delgadas.
Como la huella en un cuadro puede efectuarse con más
exactitud.
Desventajas (HV):
La preparación de la superficie en donde se va a
efectuar la medición es mucho más laboriosa realizándose por lo
general un pulido metalográfico.
Ensayo de Dureza HB (Hardness
Brinell): Se determina en función de la profundidad de la huella, la lectura de
la dureza no se efectúa directamente sino que se mide el diámetro de la huella
dejada después de la prueba. La dureza Brinell se mide produciendo al
material una huella con un penetrador normalizado consistente en una bola de
acero extraduro de diámetro (D), que varía según el tipo de material cuya
dureza se quiere medir y el espesor de la pieza.
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HV =2*P*sen(136/2) D2
Probeta: Se denomina así la pieza que se somete a ensayo para la medición de su
duraza. La superficie en la que se produce la huella debe estar muy plana y a
veces pulimentada.
Carga: La carga que se aplica depende del material y espesor de la probeta.
P = Carga (Kg.)
D = Diámetro del penetrador (mm)
d = Diámetro de la huella (mm)
Designación de la dureza Brinell:
La dureza Brinell se expresa por las letras:
(HB)
Seguidas de tres números entre paréntesis,
(D/P/t/)
D = Diámetro de la bola con que se hizo el ensayo, en milímetros.
P = Carga aplicada, en kilogramos.
T = Tiempo que estuvo aplicada la carga, en segundos.
Ejemplo:
250 HB (5/750/10) significa que el material ensayado tiene una dureza de 250
grados Brinell, se utilizó una bola de 5 mm y una carga de 750 Kg. durante 10
seg.
Para tener una idea del valor de la dureza Brinell de algunos metales,
indicaremos los siguientes:
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HB = 2P3,14 D [D-√(D2 –d2)]
Características (HB):
Se aplica a todo tipo de metales,
férreos y no férreos.
La escala de carga varía de 5 a
250 Kg. y desde 500 a 3000 Kg., dependiendo del equipo.
El tiempo de aplicación de carga
es de 10 para metales no férreos y de 10 a 30 seg. para metales férreos.
Ventajas (HB):
No exige una
superficie tan lisa como en los otros procedimientos.
Se utiliza en
campos para trabajos en serie (Telebrinell).
Se puede utilizar
bolas de tungsteno para mayor exactitud y ampliar los resultados.
Desventaj
as (HB):
La bola de acero al ser comprimida contra el metal, sufre
aplastamiento elástico.
El tamaño siempre grande de la huella limita su empleo a probetas
grandes.
Ensayo de Dureza HS (Hardness Shore): Se
realiza a través de un martinete con punta de diamante que se deja caer sobre
la superficie y el rebote se toma como un índice de dureza.
Ensayo Hebert: Se deja caer una lluvia de esferitas
de acero desde una altura predeterminada, que empañan la superficie de una
pieza endurecida en proporción de su blandura y en consecuencia revelan las
zonas defectuosas.
Acero muy duro 500 HB
Acero poco duro 110 HB
Bronce 100 HB
Aluminio 25 HB
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Ensayo Knoop: Se realiza introduciendo una
pirámide de diamante de forma rómbica en la superficie, midiéndose
posteriormente la longitud del diagonal (d) de la huella obtenida a través del
ocular del equipo.
Características (Ensayo Knoop):
Se realiza para determinar la dureza de capas superficiales muy
finas, piezas de pequeños mecanismos y a diferentes micro estructuras
de aleaciones férreas.
Se necesita la ayuda de un microscopio metalográfico para
determinar la micro dureza midiendo la huella.
Ductilidad: Es la capacidad del metal para dejarse deformar o
trabajar en frío; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza.
Los metales más dúctiles son: el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio.
Tenacidad: Se define como la habilidad de un material para
absorber energía sin fracturarse. La unidad de medida que valora este factor es
la resiliencia.
Fragilidad: Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por lo
tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es
decir, su rotura se produce espontáneamente al rebasar la carga
correspondiente al límite elástico.
Plasticidad: Capacidad de deformación permanente de un material
sin que llegue a romperse.
Elasticidad: Capacidad de un material elástico para recobrar su
forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga
máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente.
Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de
elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben
trabajar siempre por debajo del límite elástico.
Endurecimiento por temple: Es la propiedad del metal de sufrir
transformaciones en su estructura cristalina como resultado del calentamiento
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y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades mecánicas y
tecnológicas. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una
estructura cristalina característica denominada martensita.
Maleabilidad: Es la capacidad que presentan los cuerpos para
adquirir deformaciones permanentes mediante esfuerzos de compresión.
TIPOS DE DURÓMETROS:
Durómetros portátiles shore A, D y C.
Durómetro shore A para cilindros y rodillos.
Durómetro electrónico portátil shore A, D y C “HPE”.
Durómetro electrónico portátil shore A, D, y C
“HHP2001”.
Durómetro para rollos de caucho y papel.
Durómetro electrónico shore set.
Durómetro electrónico automático.
Durómetro microdurómetro electrónico.
Durómetro microdurómetro electrónico universal.
Durómetro especial para materiales.
DUROMETROS UTILIZADOS:
Máquina Hoyton para medir escalas Rockwell, Brinell y Vickers
tipo 1003.
Máquina Hoyton destinada para ensayos Rockwell tipo Minor-71.
Máquina Hoyton para medir escalas Brinell tipo 1002 especial para
metales porosos.
Máquina Zwick de ensayos universales de dureza Rockwell,
Brinell y Vickers tipo 818 LKV.
Durómetro portátil digital Wilson tipo M250-A para ensayos de
dureza Leeb, Vickers, Brinell; Rockwell y Shore.
TIPO DE PENETRADORES:
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Penetrador 1/16.
Penetrador de diamante HRC.
Penetrador Brinell.
Penetrador Vickers.
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MÉTODO ROCKWELL MÉTODO BRINELL
Se determina la profundidad de
penetración de un indentador bajo
ciertas condiciones arbitrarias de
pruebas. El indentador puede ser una
esfera de acero de algún diámetro
específico cónico de punta esférica.
Se determina forzando a una esfera
endurecida a penetrar en la superficie
de un material por medio de una carga
conocida y midiendo el diámetro de la
huella o indentación dejada después de
la prueba.
La indentación es menos profunda. La indentación es más profunda.
Hace una impresión o huella más
pequeña.
Hace una impresión o huella más
grande.
Puede usarse en materiales más
delgados.
No es usual utilizarlos en materiales
muy delgados.
Es mucho más rápido. Es un poco más lento.
Se denota HR. Se denota HB.
Mide la dureza por penetración. Mide la dureza por la sección rayada.
MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR
Durómetro (dureza según Rockwell HRC – HRB)
Penetradores: Cono de punta de diamante (Brale)
Bola de acero templada de 1/16Φ
Probetas: De acero 1020 templada
De acero no templada
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IV. PROCEDIMIENTO EN DIAGRAMA DE FLUJO:
INICIO
Durómetro, penetrador: Cono de punta de Diamante (Brale), X (probetas)
Distintas probetas para medir su resistencia
Calibrar el equipo y mantenerlo en condiciones aptas para operar
Colocar X sobre el dispositivo de apoyo y girar el volante hacia la derecha hasta tener contacto con el mango tensor y el cuerpo penetrante y que la aguja pequeña coincida con el punto referencial rojo (precarga
de 10 Kg.)
Girar la pantalla hasta colocar la aguja principal (grande) de la máquina en cero (0) de la escala HRC
Aplicar la carga principal de 140 Kg. Esperar hasta que la misma se estabilice. Luego levantar la fuerza
principal
Lectura de la Máquina
X
Tabular
FIN
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
Una vez que el equipo esté calibrado y en óptimas condiciones de operación
proceder de la siguiente manera:
Colocar las probetas a ensayar sobre los dispositivos de apoyo, girar el
volante hacia la derecha hasta tener contacto con el manguito tensor y el
cuerpo penetrante, mantener el giro hasta que la aguja pequeña coincida
con el punto referencial rojo (carga inicial aplicada 10 Kg.).
Girar la pantalla hasta colocar la aguja principal (grande) en cero (0) escala
HRC.
Aplicar la carga de 150Kg.Esperar hasta que la misma se estabilice.
Levantar la fuerza principal y leer la lectura tabulada.
PRECAUCIONES DE LAS PRUEBAS:
El estado del penetrador
Aplicación de la carga
Superficie de la probeta
Espesor de la probeta
Forma de la probeta
Situación de la huella
V. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES:
Se realizan en base a los objetivos de la práctica, los resultados experimentales y
el trabajo de laboratorio realizado.
VI. PROBLEMAS PROPUESTOS:
1.- Calcular la dureza Brinell de un acero con un penetrador de 10mm y carga de
2500 Kg. Produciendo una huella de 8.5mm.
2.- Calcular la dureza Brinell de un acero con un penetrador de 10mm y carga de
3000 Kg. Produciendo una huella de 3.75mm.
3.- Investigar la diagonal de la huella en un ensayo con una carga de 30 Kg. Que
produce una dureza de 720 HV.
4.- Explique por qué la dureza en todos los puntos no es la misma.
5.- Explique las ventajas y desventajas de los Métodos Brinell y Rockwell
6.- Diferencia entre la dureza de una probeta templada y una probeta no templada.
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7.- ¿Cómo se leen las siguientes expresiones?:
580 HB 5/130/4
130 HRc
30 HRb
1045
8.- Investigar los conceptos de:
a.- Tratamiento Térmico. b.-Tipos de Tratamiento Térmico.
c.- Temple. c.- Dureza d-. Indentador ó Penetrador
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS SEGÚN NORMAS
ASOCIACIONES DEDICADAS A LA NORMALIZACIÓN
EE.UU: AISI: American Iron Steel Institute
SAE: Society Automotive Engineers
ALEMANIA: DIN: Deustshe Institut fur NormangAISI – SAE – Aceros en general:
Los números básicos para la serie de cuatro dígitos de los diversos grados de aceros al
carbono y de aleación con porcentajes aproximados de elementos de identificación son:
10xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y bessemer ácidos;
11xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y bessemer ácidos, azufre alto, fósforo bajo;
12xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto, azufre alto, fósforo alto;
13xx Manganeso 1.75;
23xx Níquel 3.50 (serie eliminada en 1959);
25xx Níquel 5.00 (serie eliminada en 1959);
31xx Níquel 1.25 y cromo 0.60 (serie eliminada en 1964);
33xx Níquel 3.50 y cromo 1.50 (serie eliminada en 1964);
40xx Molibdeno 0.20 o 0.25;
41xx Cromo 0.50, 0.80 o 0.95 y molibdeno 0.12, 0.20 o 0.30;
43xx Níquel 1.83, cromo 0.50 o 0.80 y molibdeno 0.25;
44xx Molibdeno 0.53;
46xx Níquel 0.85 o 1.83 y molibdeno 0.20 o 0.25;
47xx Níquel 1.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.20 o 0.35;
48xx Níquel 3.50 y molibdeno 0.25;
50xx Cromo 0.40;
51xx Cromo 0.80, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.00;
5xxxx Carbono 1.04 y cromo 1.03 o 1.45;
61xx Cromo 0.60 o 0.95 y vanadio 0.13 o 0.15 mín;
86xx Níquel 0.55, cromo 0.50 y molibdeno 0.20;
87xx Níquel 0.55, cromo 0.50 y molibdeno 0.25;
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88xx Níquel 0.55, cromo 0.50 y molibdeno 0.35;
92xx Silicio 2.00;
93xx Níquel 3.25, cromo 1.20 y molibdeno 0.12 (serie eliminada en 1959);
98xx Níquel 1.00, cromo 0.80 y molibdeno 0.25 (serie eliminada en 1964), y
94Bxx Níquel 0.45, cromo 0.40, molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mín.
“Serie eliminada” no significa que estos aceros ya no se fabriquen;
simplemente significa que la cantidad de toneladas está por debajo de cierto
mínimo para incluirse en la lista de grados estándar. La AISI revisa
periódicamente la lista.
ESCALA DE DUREZA ROCKWELL
Escala Carga Mayor Kg. Tipo de de marcador Materiales típicos de muescas probados
A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburo s de tungsteno, etc.
B 100 Bola de 1/16" Materiales de durezamedia, aceros alcarbono bajos ymedios, latón,bronce, etc.
C 150 Cono de diamante Aceros endurecidos,aleaciones
endurecidas yrevenidas (tratadas)
D 100 Cono de diamante Acerosuperficialmente
cementadoE 100 Bola de 1/8 Hierro fundido,
aleaciones dealuminio y magnesio
F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobrerecocidos
G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio,bronce fosfórico, etc.
H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminioK 150 Bola de 1/8" Hierro fundido,
aleaciones dealuminio
L 60 Bola de 1/4" Plástico y metalessuaves, como el
plomoM 100 Bola de 1/4" Igual que la escala LP 150 Bola de 1/4" Igual que la escala LR 60 Bola de 1/2" Igual que la escala LS 100 Bola de 1/2" Igual que la escala L
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V 150 Bola de 1/2" Igual que la escala L
Medición de Dureza y rangos de Conversión:
Pieza de trabajo/muestra
ensayadaEscalas estándar de Dureza
Leeb
(HL)
Vickers
(HV)
Brinell
(HB)
Rockwell
B (HRB)
Rockwell
C (HRC)
Shore
(SHD)
Acero/Fundición
(ST)
300-
90080-940
80-650
(F=30D2)38.4-99.5 20-65
32.5-
99.5
Acero de
Herramientas
300-
84080-900 20.4-67
Acero Inoxidable o
acero refractario (SS)
300-
80085-800
85-670
(F=30D2)46.5-100 20-63
Acero dearandelas
(GS)
500-
880
80-80020-68.8
32.5-
99.0
Fundición Gris
(GC)
360-
660
93-340
(F=30D2)
Fundición
nodular (NC)
400-
660
130-390
(F=30D2)
Aleaciones de
Aluminio (AL)
200-
56032-190
30-160
(F=10D2)27-91
Latón (BS)200-
56045-200
40-180
(F=10D2)12-94
Bronce (BZ)300-
700
60-290
(F=10D2)
Cobre (CU)200-
42050-130
45-120
(F=10D2)4-72
Nota: Esta tabla muestra los rangos varios de dureza para los materiales más típicos.
Un ensayo fuera del rango especificado será inválido y una “E” (error) mostrará en la
pantalla del equipo. Los errores son provocados generalmente por falta de
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correspondencia entre el material bajo prueba y el material seleccionado en el
instrumento.
EFECTOS DE ALGUNOS ALEANTES SOBRE EL ACERO:
EFECTOSALEANTES
C Cr Co Pb Mn Mo Ni P Si
AUMENTA LA RESISTENCIA MÁXIMA X X X X X X
AUMENTA LA DUREZA X X
AUMENTA LA RESISTENCIA AL DESGASTE X X X X
AUMENTA LA TEMPERATURA DE FUSIÓN X X X X X
AUMENTA LA DUCTILIDAD X
AUMENTA EL LIMITE DE ELASTICIDAD X X X
AUMENTA LA RESISTENCIA AL HERRUMBE X X
AUMENTA LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN X X
AUMENTA LA TENACIDAD X X X
AUMENTA LA RESISTENCIA AL IMPACTO X X
AUMENTA LA RESISTENCIA A LA FATIGA
DISMINUYE LA DUCTILIDAD X X
DISMINUYE LA TENACIDAD X
AUMENTA TEMPERATURAS CRÍTICAS X X
DISMINUYE TEMPERARTURAS CRÍTICAS X X
CAUSA FRAGILIDAD EN CALIENTE
CAUSA FRAGILIDAD EN FRÍO X
MEJORA LA RESISTENCIA EN CALIENTE X X
DUFICULTA EL CRECIMIENTO DE GRANO X
REDUCE LA DISTORCIÓN AL TEMPLE X X
ACTUA COMO DESOXIDANTE X
ACTUA COMO DESULFURANTE X
MEJORA LA TEMPLABILIDAD EN ACEITE X X X X
MEJORA LA TEMPLABILIDAD EN AIRE X X
ELIMINA SOPLADURAS X
MEJORA LA SOLIDEZ EN FUNDICIONES
MEJORA LA MAQUINABILIDAD X X
FORMA CARBUROS X X
BIBLIOGRAFÍA:
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ASKELAND, Donald. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Tercera
Edición, México, 1998. Internacional Thompson Editores.
FLINN, Richard. Materiales de Ingeniería y sus aplicaciones. Tercera
Edición, México, 1991. Editorial Mc Graw- Hill Latinoamericana
HANS, Studemann. Ensayo de Materiales y Control de Defectos en la
Industria del Metal. Bilbao (España), 1979.
VAN BLACK, Lawrence. Elements of Materials Science & Engineering.
Cuarta Edición, Estados Unidos, 1980. Addison- Wesley Company.
Ing. Celirys Morales.
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