propiedades mecánicas_ dureza

8/17/2019 Propiedades mecánicas_ DUREZA

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Propiedades Mecánicas:

Dureza

Nombre: Fabrizio Casanova Camus

Carrera: Técnico en Mantenimiento Industrial.

Asignatura: Mantenimiento Industrial

Profesora: Miguel Melo.

Viña del Mar, 09 de mayo de 2016.


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Introducción

Propiedades mecánicas.

Muchos materiales, cuando prestan servicio, están sometidos a fuerzas o cargas, ejemplos

de ello son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las

cuales se construyen las alas de los aviones, el acero de los ejes de los automóviles o las

vigas y pilares de los edificios. En tales situaciones es necesario conocer las características

del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea

excesiva y no se produzca la rotura. El comportamiento mecánico o las propiedades

mecánicas de un material reflejan la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del

material (o sea, su deformación). Es decir, son aquellas propiedades de los sólidos que se

manifiestan cuando aplicamos una fuerza. Las propiedades mecánicas de los materiales se

refieren a la capacidad de los mismos de resistir acciones de cargas: las cargas o fuerzas

actúan momentáneamente, tienen carácter de choque, cíclicas o de signo variable: las

cargas varían por valor, por sentido o por ambos simultáneamente. Algunas de las más

importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez.

La respuesta de los materiales a las fuerzas aplicadas depende de:

1. Tipo de enlace.

2. Disposición estructural de los átomos o moléculas.

3. Tipo y número de imperfecciones, que están siempre presentes en los sólidos,

excepto en raras circunstancias.

Así, fijada la solicitación1 exterior es evidente que la deformación que se origina y, en

consecuencia, la tensión creada en el sólido elástico dependen de las fuerzas de atracción

molecular, es decir, de la estructura cristalina del material.

1 El término solicitación se emplea en ingeniería estructural para designar algún tipo de acción o fenómeno

externo que afecta a una estructura y necesita ser tenido en cuenta en los cálculos estructurales


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A pesar de la considerable complejidad de los materiales ingenieriles, todos los materiales

sometidos a cargas se pueden clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el

mecanismo que ocurre durante su deformación bajo las fuerzas aplicadas:

1.

MATERIALES ELASTICOS (cristales iónicos y covalentes).

2. MATERIALES ELASTOPLASTICOS (los metales estructurales).

3. MATERIALES VISCOELASTICOS (los plásticos y los vidrios).

A su vez los tipos básicos de deformación de los materiales como respuesta a las fuerzas

aplicadas son tres

1. Elástico.

2.

Plástico.3. Viscoso.

Los materiales refractarios en servicio están sujetos a fuertes tensiones mecánicas debidas,

en la mayor parte de los casos, a las dilataciones de la mampostería refractaria (Fuerzas

debidas a la expansión térmica), como es el caso de los refractarios en el horno de cemento.

La mayor o menor capacidad de un material para absorber dichas tensiones, deformándose

sin romperse, será una de las causas de buen comportamiento del material refractario en

las instalaciones.

Los ingenieros de materiales y los metalúrgicos, por otro lado, dirigen sus esfuerzos a

producir y conformar materiales que puedan soportar las condiciones de servicio predichas

por el análisis de tensiones. Esto necesariamente implica un conocimiento de la relación

entre la microestructura (es decir, los detalles internos) de los materiales y sus propiedades

mecánicas.


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¿Qué es la Dureza?

La dureza es una propiedad mecánica de los sólidos que se define como la oposición que

presenta un material a ser rayado o penetrado por otro cuerpo sólido. Es decir, es la

resistencia que ofrecen los materiales a alteraciones plásticas como la penetración, la

abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras.

La definición de dureza es diferente a la de resistencia mecánica, la cual es la resistencia del

material a ser deformado. La dureza también es una medida de las propiedades de abrasión

de un material. Y es aquí cuando destacamos la mineralogía, área en la que la dureza se

define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una superficie

blanda se raya con más facilidad que una dura; de esta forma un mineral duro, como el

diamante, rayará uno blando, como el grafito, mientras que la situación inversa nunca se

producirá.

La dureza es la oposición que

presenta un material a ser rayado openetrado por otro cuerpo sólido


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Tipos de Dureza

Los primeros ensayos de dureza se basaron en el comportamiento de los minerales según

su capacidad de rayar a otro más blando. Para ello se definió una escala llamada Mohs,

cuyos valores van del 1 al 10, donde el 1 representaba al talco y el 10 al diamante. Luego se

desarrollaron diversas técnicas de medición utilizadas en la metalurgia y la ingeniería

principalmente. Actualmente los tipos de dureza están denominados según el ensayo del

cual provienen. A su vez un ensayo es una técnica de penetración de materiales que se

realiza en un durómetro.

Mineralogía.

En particular, la dureza relativa de los minerales

se determina gracias a la escala de dureza de

Mohs, nombre del mineralogista alemán

Friedrich Mohs que la ideó. En esta escala, diez

minerales comunes están clasificados en orden

de creciente dureza recibiendo un índice. La

dureza de una muestra se obtiene

determinando qué mineral de la escala de Mohs

lo raya. Así, la galena, que tiene una dureza de

2,5, puede rayar el yeso y es rayado por la

calcita. La dureza de un mineral determina en

gran medida su durabilidad.

Generalmente, los materiales más duros

presentan mejores propiedades a la abrasión

que otros.


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Metalurgia e ingeniería.

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 indentación.

Durómetro

Con el paso de los años nuevas técnicas cuantitativas de dureza fueron desarrolladas luego

de la escala de Mohs, basadas en un

pequeño penetrador que es forzado

sobre una superficie de la probeta del

material a ensayar bajo condiciones

controladas de carga y velocidad. La

profundidad o tamaño de la huella

resultante se relaciona con un número

de dureza. Cuanto más blando el

material, mayor y más profunda la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas

obtenidas tienen un significado relativo y no absoluto, por lo que hay que tener cautela al

comparar las medidas arrojadas por distintas técnicas sobre el mismo material.

El durómetro es el dispositivo de medición para determinar la dureza de un material

basándose en el proceso descrito anteriormente. Existen distintos tipos de durómetros de

acuerdo a las diversas familias de materiales, habiendo posibilidad de medir dureza tanto a

un caucho como a un acero. Si bien la palabra “durómetro” en el mundo anglosajón sólo se

Las durezas obtenidas tienen un

significado relativo y no absoluto, por

lo tanto hay que analizar resultadosobtenidos a partir de diferentes

técnicas sobre el mismo material.

Indentation hardness tests are used in mechanical engineering to

determine the hardness of a material to deformation.

Indentación es un ensayo o prueba usada en ingeniería mecánica para

determinar la dureza o resistencia de un material a la deformación.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineeringhttps://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineeringhttps://en.wikipedia.org/wiki/Mechanical_engineering


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emplea para denominar al equipo para medir dureza Shore, en Latinoamérica es

ampliamente utilizada para identificar a todos los bancos de ensayo de dureza que existen.

Dado que existen distintos tipos de durómetros de acuerdo al material a indentar, a

continuación se presenta una tabla con los métodos principales y su respectiva aplicación:

Aplicaciones de los durómetros

Shore Rockwell Brinell Vickers

Polímeros

elastómeros y

cauchos.

Aceros tratados

térmicamente.

Metales y

aleaciones como

latón aceros

templados y

recocidos.

Fundiciones de

hierro nitrurados.

Como alternativa al

método Brinell mide

dureza en todos los

metales incluyendo

aceros inoxidables; aceros

al carbono; aceros

martensíticos y otros.


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Ensayos de Dureza.

BRINELL (HB)

Es un ensayo mecánico propuesto por el sueco J.A. Brinell en 1900. Consiste en una prensa

hidráulica de operación manual diseñada para imprimir un penetrador duro esférico sobre

la superficie de la probeta analizada; la presión se mide por un manómetro y se aplica por

medio de una bomba de aceite, la pieza de ensayo se coloca en soporte que puede subir o

bajar mediante un tornillo

Se fuerza un indentador de balín de acero templado o de carburo de tungsteno de un

diámetro adecuado a la dureza del material contra la probeta, con una fuerza adecuada

para la dureza del material. El tiempo de aplicación de la fuerza varía entre 10-30 s.

dependiendo de la aleación examinada; después se quita la carga y se mide el diámetro de

la impresión en la probeta con un microscopio o lente especial con un rastreador láser para

lectura automática. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa

con chapas de menos de 6mm de espesor.

El valor así obtenido, se aplica a la fórmula Brinell. El número de dureza Brinell se define

como la fuerza aplicada dividida por la superficie de contacto entre el indentador y la

probeta después de haberse retirado el indentador.

Para hallar el grado de dureza Brinell, se emplea la siguiente formula:

= 2

( − √ − )

En donde:

HB : Grado de dureza Brinell

P: Fuerza aplicada al material en el ensayo (kp)

D : Diámetro de la bola de acero (mm)

d : Diámetro de la huella (mm)


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Dimensiones del penetrador Brinell y fórmula para calcular el número de dureza HB

ROCKWELL (HR)

Constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar

a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se aplica a materiales más duros que la

escala Brinell. Este ensayo tiene las siguientes variantes:

Dureza Rockwell B: usado para materiales más blandos, los penetradores son de

acero templado, como bolas de 1/16 de pulgada, 1/8, ¼ y ½ de pulgada.

Durezas Rockell A, C y D: donde el penetrador es un cono de diamante cuyo ángulo

en la base es de 120º. Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición

directa y es apto para todo tipo de materiales.

En el test Rockwell el penetrador es forzado contra el material con una fuerza preliminar

menor de 10 kp. Cuando el equilibrio ha sido alcanzado, un dispositivo indicador, que sigue

los movimientos del penetrador y también responde a los cambios en la profundidad de la

penetración del indentador, se dispone en posición establecida. Cuando la carga menor

preliminar todavía se está aplicando, se impone una carga mayor dando como resultado un

incremento en la penetración. Cuando el equilibrio se alcanza la fuerza adicional se quita,

pero la fuerza preliminar se mantiene aún. El incremento permanente en la penetración

resulta de aplicar y quitar la fuerza mayor adicional usada para calcular el grado de dureza

Rockwell. Es decir, se determina un numero de dureza a partir de la diferencia de

profundidad de penetración que resulta al aplicar una carga inicial pequeña y después una

carga mayor.


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Tipos de penetradores y cargas en ensayos Rockwell y Rockwell superficial

La escala de dureza Rockwell está representada por una letra del alfabeto (A, B, C, D, E, F,

G, H y K). Para Rockwell superficial se designa por un número que representa la carga mayor

aplicada y una letra que puede ser N, T o W. El número de dureza Rockwell se indica con el

sufijo HR y la identificación de la escala. Por ejemplo, 80 HRB representa una dureza

Rockwell de 80 en la escala B.

Los equipos modernos para la medida de dureza Rockwell están automatizados y hasta

permiten la variación del tiempo de aplicación de la carga. Sin embargo, los equipos

mecánicos siguen siendo utilizados ampliamente en la industria.

Durómetro Automático Starrett 3816 Rockwell


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VICKERS (HV)

Este sistema fue desarrollado en 1921 por Robert Smith y George Sandland en la empresa

Vickers Ltd. En el ensayo Vickers el penetrador está compuesto por un diamante piramidal

muy pequeño. El principio fundamental es observar la habilidad que tiene el material

indentado de resistir la deformación plástica. Las cargas aplicadas van de 1 a 1000 g, por lo

cual este ensayo es considerado de microdureza. La marca resultante se observa al

microscopio y se mide, esta medida es convertida a un número de dureza que se identifica

con HV (Número Pirámide Vickers) o DPH (Número Pirámide de Diamante Vickers). Es

necesario que la superficie de la muestra haya sido preparada con desbaste y pulido.

Llamado el ensayo universal. Sus cargas van de 5 a 125 kp (de cinco en cinco). Su penetradores una pirámide de diamante con un ángulo base de 136º. Se emplea Vickers para láminas

delgadas hasta 0.006 pulgadas y no se lee directamente en la máquina.

Este ensayo constituye una mejora al ensayo de Brinell, se presiona el indentador contra

una probeta, bajo cargas más pequeñas que las utilizadas que en el ensayo Brinell. La marca

resultante se observa al microescopio, se miden las diagonales de la impresión cuadrada y

se halla el promedio. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula:

= 1,854 ∗

En donde:

D: Es el promedio entre y

Es importante que la superficie de la muestra haya sido preparada cuidadosamente para

poder asegurar una huella que pueda ser medida con exactitud.

Dimensiones del penetrador Vickers y número de dureza HV


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SHORE

La escala de este durómetro fue definido por Albert Shore alrededor de 1920, aunque no

fue el primer dispositivo inventado en la historia para medir dureza.

Durometro Shore

Existen varias escalas definidas acorde a las diferentes propiedades de los materiales, pero

para este dispositivo las más comunes son las escalas A y D, la primera para plásticos

blandos y la D para los más duros. En total, y según la norma ASTM D2240-00, existen 12

escalas (A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, y R), cuyos valores van de 0 a 100

indicando la dureza del material.

El método de medición consiste en generar una indentación o impronta profunda en el

material con una fuerza normalizada a través de un penetrador. La profundidad depende

de la dureza del material, de sus propiedades viscoelásticas, la forma del penetrador de

presión y la duración del ensayo. Cuando se está haciendo la impronta en el material, la

medida de la profundidad se transmite a un resorte interno de un reloj comparador, que

puede ser análogo o digital, dando un valor determinado de dureza.

http://www.demaquinasyherramientas.com/wp-content/uploads/2015/02/Duro%CC%81metro-Shore.jpg


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Escala de durezas Shore A y D para distintas aplicaciones

http://www.demaquinasyherramientas.com/wp-content/uploads/2015/02/Escala-de-dureza-Shore.jpg


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Conclusiones

Se ha revisado una de las propiedades mecánicas de mayor importancia, ya sea por su

aplicación al momento de tomar una decisión para elegir materiales de construcción, así

como también en la I+D de la ingeniería mecánica y de materiales al permitir la creación y

testeo de nuevas aleaciones que respondan de mejor manera a las diversas necesidades de

la industria y la tecnología.

La dureza representa una propiedad mecánica esencial en la carrera de mantenimiento

industrial por evidenciar el nivel de desgaste por rayado o abrasión de una pieza,

herramienta y, por tanto, una máquina. Esto puede ser clave en la toma de decisiones de

compra, cuidado y reparación de una pieza, buscando así la optimización de los recursos y

la máxima vida útil de dicho elemento.

Finalmente, dado que existen muchos tipos de medición de dureza, es relevante

contextualizarlos según sean las distintas necesidades de cada tarea. No dejar sin cuidado

la comparativa de diversas mediciones realizadas con distintas técnicas sobre el mismo

material. Analizando críticamente, se puede desempeñar un trabajo más profesional y, por

cierto, de una calidad superior.

Bibliografía:

1. Callister, William. (1995). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales .

Reverté: Barcelona.

2. Ensinger. Propiedades técnicas de los plásticos. Recuperado de

http://www.ensinger.es/es/informacion-tecnica/propiedades-tecnicas-de-los-

plasticos/propiedades-mecanicas/dureza

3. De Maquinas y Herramientas (2015). Introducción al durómetro. Recuperado de

http://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/durometro-tipos

4. Shakelford, James. (2005). Intoducción a la ciencia de materiales para ingenieros.

Pearson Prentice Hall.
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